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Advancing Optical Hearing: Modelling Light-Tissue Interaction in the Cochlea
No full textOptical cochlear implants offer a promising alternative to conventional electrical implants, enabling more selective stimulation of spiral ganglion neurons through targeted light delivery. A critical factor
in achieving high spatial resolution with light-based stimulation is understanding and modelling the scattering behaviour of photons within cochlear tissue. This dissertation presents a comprehensive
study of angle-dependent light scattering in tissue phantoms of bone structures, combining Monte-Carlo simulations, analytical models, and experimental validation.:I Introduction 1
II Elastic single light scattering 9
1 Absorption and scattering by a spherical particle 13
1.1 Lorenz-Mie solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Extinction and scattering cross section . . . . . . . . . 20
2 Phase functions 25
2.1 Henyey-Greenstein function . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 Mie distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 Cosine expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 Comparison of phase functions . . . . . . . . . . . . . . 37
III Multiple scattering 39
3 Structure of the human cochlea 43
4 Phantom materials for human tissue 51
5 Experiment 59
5.1 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6 Monte-Carlo 65
7 Analytical multiple 2D scattering model 73
IV Comparison multiple scattering 81
8 Comparison between simulation and experiment 85
9 Comparison between simulation and analytical multiple
2D scattering model 89
V Complex structures 95
10 Simulation of light scattering in a real cochlea
structure 99
10.1 3D Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
10.2 Source placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
10.3 Implementation and results . . . . . . . . . . . . . . . . 104
11 Scaling of cochlea models 111
VI Summary and conclusion 117
VII Acknowledgments 125
VIII Appendix 129
12 Phantom materials 131
12.1 Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
12.2 Sample calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
13 Circuit diagram 133
14 Data Citations 135
List of tables 137
List of figures 137
Bibliography 145Optische Cochlea-Implantate bieten eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen elektrischen Implantaten und ermöglichen eine selektivere Stimulation der Spiralganglionneuronen durch gezielte Lichtzufuhr. Entscheidende Faktoren für eine hohe räumliche Auflösung bei der lichtbasierten Stimulation sind das Verständnis und die Modellierung des Streuverhaltens von Photonen im Cochlea-Gewebe. In dieser Dissertation wird eine umfassende Studie der winkelabhängigen Lichtstreuung in Gewebephantomen von Knochenstrukturen vorgestellt, die Monte-Carlo-Simulationen, analytische Modelle und experimentelle Validierung kombiniert.:I Introduction 1
II Elastic single light scattering 9
1 Absorption and scattering by a spherical particle 13
1.1 Lorenz-Mie solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Extinction and scattering cross section . . . . . . . . . 20
2 Phase functions 25
2.1 Henyey-Greenstein function . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 Mie distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 Cosine expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 Comparison of phase functions . . . . . . . . . . . . . . 37
III Multiple scattering 39
3 Structure of the human cochlea 43
4 Phantom materials for human tissue 51
5 Experiment 59
5.1 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6 Monte-Carlo 65
7 Analytical multiple 2D scattering model 73
IV Comparison multiple scattering 81
8 Comparison between simulation and experiment 85
9 Comparison between simulation and analytical multiple
2D scattering model 89
V Complex structures 95
10 Simulation of light scattering in a real cochlea
structure 99
10.1 3D Modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
10.2 Source placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
10.3 Implementation and results . . . . . . . . . . . . . . . . 104
11 Scaling of cochlea models 111
VI Summary and conclusion 117
VII Acknowledgments 125
VIII Appendix 129
12 Phantom materials 131
12.1 Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
12.2 Sample calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
13 Circuit diagram 133
14 Data Citations 135
List of tables 137
List of figures 137
Bibliography 14
Determinanten und Potenziale energieeffizienten Fahrens mit Elektrofahrzeugen: Untersuchung nutzerbezogener Wirkmechanismen zur Förderung der Verhaltensänderung
No full textViele Nationen verfolgen Bestrebungen einer Mobilitätswende und fördern die Integration nachhaltiger Transportmittel, wie z. B. batteriebetriebener Elektrofahrzeuge (BEVs). Dennoch ist der Anteil an BEVs auf deutschen Straßen noch relativ gering, was häufig mit ihrer limitierten Reichweite in Zusammenhang gebracht wird, die nach wie vor als die Hauptbarriere für ihre Nutzung gilt. Eine Möglichkeit, die vorhandene Reichweite von BEVs zu maximieren und das Reichweitenerleben während der Fahrt zu verbessern, besteht in der Ausübung einer energieeffizienten Fahrweise und der Anwendung sogenannter Eco-Driving-Fahrstrategien.
In der vorliegenden Dissertation wird energieeffizientes Fahren als alle durch den Fahrenden während der Fahrt aktiv selbst ausführbaren und beeinflussbaren Verhaltensweisen verstanden, die darauf abzielen, den Energieverbrauch von BEVs zu reduzieren. Diese Fahrstrategien führen neben der Energie- und Emissionseinsparung zu einer Erhöhung der Reichweite von BEVs und zu einer Verbesserung der reichweitenbezogenen Nutzererfahrung während der Fahrt. Somit kann energieeffizientes Fahren das Auftreten von Reichweitenstress abmindern und als eine wirksame, problemfokussierte Coping-Strategie von BEV-Fahrenden im Umgang mit der begrenzten Reichweite verstanden werden.
Die Zielsetzung der kumulativen Dissertation bestand in der Erforschung ausgewählter und auf das Nutzererleben und -verhalten ausgerichteter Determinanten und Strategien, um das energieeffiziente Fahren mit BEVs zu beeinflussen und zu einer möglichst langfristigen Verhaltensänderung bei den Fahrenden beizutragen. Dazu wurden drei Forschungsziele formuliert: Forschungsziel 1 bestand in der Entwicklung und Evaluierung eines geeigneten Studiendesigns zur Untersuchung energieeffizienten Fahrens mit BEVs unter realistischen Bedingungen. Darauf aufbauend erfolgte mit dem Forschungsziel 2 die Untersuchung nutzerbezogener Einflussfaktoren auf das energieeffiziente Fahren und dessen Potenzial für das reichweitenbezogene Nutzererleben der Fahrenden mit BEVs. Im Rahmen des dritten Forschungsziels wurde die langfristige Incentivierung energieeffizienten Fahrens mit BEVs erprobt.
Unter genauerer Betrachtung wurden in der vorliegenden Dissertation vier Einflussfaktoren zur Förderung energieeffizienten Fahrens untersucht: (1) domänenspezifisches Wissen zur Wirkungsweise und Anwendung von Eco-Driving-Fahrstrategien und (2) praktische Fahrerfahrung mit BEVs verbunden mit dem Ziel einer Etablierung der Fahrerkompetenz sowie (3) das Erleben einer kritischen Reichweitensituation und (4) der Einsatz persuasiver Strategien zur Adressierung motivationaler Aspekte. Diese wurden in die drei Forschungsziele eingebettet und im Rahmen einer experimentellen Realfahrstudie und einer naturalistischen Feldstudie im Längsschnittdesign empirisch erforscht.
Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation wurden in vier Artikeln einschlägiger Fachzeitschriften publiziert. Mit Artikel I wurde das erste Forschungsziel adressiert und die Entwicklung eines geeigneten Studiendesigns sowie die Ergebnisse der Evaluation beschrieben. Aufbauend auf dem ersten Forschungsziel erfolgte mit dem zweiten Forschungsziel die Untersuchung der nutzerbezogenen Einflussfaktoren auf das energieeffiziente Fahren und dessen Potenzial für das reichweitenbezogene Nutzererleben. Dazu wurden die beiden kompetenzassoziierten Wirkmechanismen, domänenspezifisches Wissen zur Wirkungsweise und Anwendung von Eco-Driving-Fahrstrategien sowie praktische Fahrerfahrung mit BEVs in der experimentellen Realfahrstudie analysiert. Zudem wurden die Auswirkungen des Erlebens einer kritischen Reichweitensituation untersucht. Die Ergebnisse wurden in Artikel II und Artikel IV veröffentlicht. Im Rahmen des dritten Forschungsziels wurde die Incentivierung energieeffizienten Fahrens durch den Einsatz persuasiver Strategien in einer 22-monatigen naturalistischen Feldstudie im Längsschnittdesign untersucht und die Ergebnisse in Artikel III publiziert.
Die Ergebnisse der Dissertation bieten relevante Anknüpfungspunkte für die zukünftige Untersuchung energieeffizienten Fahrens und dessen Potenzial für das Reichweitenerleben der BEV-Fahrenden. Dabei ist insbesondere der Einfluss von Personenmerkmalen, Normen und Werten der Fahrenden auf die Ausführung energieeffizienten Fahrens noch weitgehend unerforscht, was Raum für weiterführende Betrachtungen eröffnet. Darüber hinaus sollte in nachfolgenden Studien erarbeitet werden, wie BEV-Fahrende bei der Anpassung ihres Fahrstils und der korrekten Ausführung von Eco-Driving-Fahrstrategien konkret unterstützt werden können. Praktische Implikationen ergeben sich vor allem für die Gestaltung der Fahrausbildung mit einer frühzeitigen Implementierung von Eco-Driving-Fahrstrategien in Theorie und Praxis. Auch für das Design von Fahrzeuginterfaces lassen sich basierend auf der Effektivität persuasiver Strategien zur langfristigen Motivation energieeffizienten Fahrens Empfehlungen zur Einbindung von Gamification-Elementen ableiten. Ferner stellt sich die Übertragbarkeit dieser Strategien auf mit dem BEV assoziierte Verhaltensweisen, wie beispielsweise die Motivierung der Wahl gesteuerter Ladevorgänge, als erfolgsversprechend dar und ebnet weiterführenden Forschungsfragen den Weg.:Danksagung
Zusammenfassung
Summary
Inhaltsverzeichnis
I Synopse
1 Einleitung
2 Theoretischer Hintergrund
2.1 Die bisherige psychologische Forschung zur Nutzerperspektive im Umgang mit
batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen
2.2 Das Konzept des energieeffizienten Fahrens
2.2.1 Ein historischer Abriss
2.2.2 Eine differenzierte Betrachtung von Eco-Driving zwischen BEVs und ICEVs
2.2.3 Psychologische Determinanten energieeffizienten Fahrens
2.3 Strategien zur Förderung energieeffizienten Fahrens
2.3.1 Der Einfluss domänenspezifischen Wissens
2.3.2 Der Einfluss praktischer Fahrerfahrung
2.3.3 Der Einfluss einer kritischen Reichweitensituation
2.3.4 Der Einfluss persuasiver Strategien – Feedback, Gamification und finanzielle Anreize
3 Forschungsziele der Dissertation
3.1 Forschungsziel 1: Entwicklung und Evaluierung eines geeigneten Studiendesigns zur Untersuchung energieeffizienten Fahrens mit BEVs unter realistischen Bedingungen
3.2 Forschungsziel 2: Untersuchung nutzerbezogener Einflussfaktoren auf das
energieeffiziente Fahren mit BEVs und dessen Potenzial für das reichweitenbezogene Nutzererleben
3.3 Forschungsziel 3: Incentivierung energieeffizienten Fahrens mit BEVs
4 Überblick über die Methodik der Dissertation
4.1 Die experimentelle Realfahrstudie
4.2 Die naturalistische Feldstudie im Längsschnittdesign
5 Diskussion und kritische Reflexion der Ergebnisse
5.1 Forschungsziel 1: Entwicklung und Evaluierung eines geeigneten Studiendesigns zur Untersuchung energieeffizienten Fahrens mit BEVs unter realistischen Bedingungen
5.2 Forschungsziel 2: Untersuchung nutzerbezogener Einflussfaktoren auf das
energieeffiziente Fahren mit BEVs und dessen Potenzial für das reichweitenbezogene Nutzererleben
5.3 Forschungsziel 3: Incentivierung energieeffizienten Fahrens mit BEVs
6 Implikationen der Ergebnisse und Schlussfolgerungen
6.1 Implikationen für das Studiendesign und die Untersuchungsmethodik
6.2 Implikationen für das bessere Verständnis nutzerbezogener Einflussfaktoren auf
das energieeffiziente Fahren mit BEVs und dessen Potenzial für das reichweitenbezogene Nutzererleben
6.3 Implikationen für die Incentivierung energieeffizienten Fahrens mit BEVs
7 Konklusion
8 Literatur
II Artikel I: Conducting a study to investigate eco-driving strategies with battery electric vehicles – a multiple method approach
III Artikel II: How driving experience and consumption related information influences eco-driving with battery electric vehicles – Results from a field study
IV Artikel III: Can electric vehicle drivers be persuaded to eco-drive? A field study of feedback, gamification and financial rewards in Germany
V Artikel IV: Positive influence of practical electric vehicle driving experience and range related knowledge on drivers` experienced range stress
VI Lebenslauf
VII PublikationenMany nations are pursuing a mobility transition and are promoting the integration of sustainable means of transport, such as battery electric vehicles (BEVs). Nevertheless, the proportion of BEVs on German roads is still relatively low, which is often associated with their limited range, which are still considered to be the main barriers to their adoption and use. One approach maximising the available range of BEVs and improving the range experience while driving is to practice an energy-efficient driving style and to use so-called eco-driving strategies.
In this dissertation, energy-efficient driving is understood as all behaviours that drivers can actively carry out and influence during the journey and that aim to reduce the energy consumption of BEVs. In addition to saving energy and emissions, these driving strategies increase the range of BEVs and improve the range-related user experience while driving. Energy-efficient driving can thus reduce the occurrence of range stress and be understood as an effective, problem-focussed coping strategy for BEV drivers in dealing with the limited range.
The aim of the cumulative dissertation was to investigate selected determinants and strategies focused on the user experience and behaviour in order to influence energy-efficient driving with BEVs and to contribute to a long-term change in driving behaviour. To this end, three research objectives were formulated: Research objective 1 was to develop and evaluate a suitable study design to investigate energy-efficient driving with BEVs under real world conditions. Building on this, research objective 2 investigated user-related factors influencing energy-efficient driving and its potential for the range-related user experience of BEV drivers. As part of the third research objective, long-term incentives for energy-efficient driving with BEVs were tested.
In the context of this dissertation, four components for the promotion of energy-efficient driving were examined in more detail: (1) domain-specific knowledge of the effectiveness and application of eco-driving strategies and (2) practical driving experience with BEVs to establish an eco-driving competence; (3) experiencing a critical range situation; as well as (4) the use of persuasive strategies to address motivational aspects. These four components were embedded in the three research objectives and empirically investigated as part of an experimental driving study under real driving conditions and a naturalistic field study with a longitudinal design.
The results of this dissertation were published in four journal articles. In Article I, the first research objective was addressed, and the development of a suitable study design as well as the results of the evaluation were described. Based on the first research objective, research objective 2 was to investigate the user-related factors influencing energy-efficient driving and its potential for range-related user experience. To this end, the two competence-associated components – domain-specific knowledge of the effectiveness and application of eco-driving strategies and practical driving experience with BEVs – were investigated in the experimental driving study. In addition, the effects of experiencing a critical range situation were examined. The results were published in Article II and Article IV. As part of the third research objective, the incentivisation of energy-efficient driving through the use of persuasive strategies was investigated in a 22-month naturalistic field study with a longitudinal design. The results were published in Article III.
The results of the dissertation provide relevant starting points for future research into energy-efficient driving and its potential for the range experience of BEV drivers. In particular, the influence of personal characteristics, norms, and values of drivers practicing energy-efficient driving is still largely unexplored, which opens up room for further considerations. In addition, subsequent studies should determine how BEV drivers can be specifically supported in adapting their driving style and correctly implementing eco-driving strategies. Practical implications arise above all for the design of driver training with an early implementation of eco-driving strategies in theory and practice. Based on the effectiveness of persuasive strategies for the long-term motivation of energy-efficient driving, recommendations for the integration of gamification elements can also be derived for the design of vehicle interfaces. Furthermore, the transferability of these strategies to behaviours associated with the BEV, such as motivating the choice of smart charging processes, is promising and paves the way for further research questions.:Danksagung
Zusammenfassung
Summary
Inhaltsverzeichnis
I Synopse
1 Einleitung
2 Theoretischer Hintergrund
2.1 Die bisherige psychologische Forschung zur Nutzerperspektive im Umgang mit
batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen
2.2 Das Konzept des energieeffizienten Fahrens
2.2.1 Ein historischer Abriss
2.2.2 Eine differenzierte Betrachtung von Eco-Driving zwischen BEVs und ICEVs
2.2.3 Psychologische Determinanten energieeffizienten Fahrens
2.3 Strategien zur Förderung energieeffizienten Fahrens
2.3.1 Der Einfluss domänenspezifischen Wissens
2.3.2 Der Einfluss praktischer Fahrerfahrung
2.3.3 Der Einfluss einer kritischen Reichweitensituation
2.3.4 Der Einfluss persuasiver Strategien – Feedback, Gamification und finanzielle Anreize
3 Forschungsziele der Dissertation
3.1 Forschungsziel 1: Entwicklung und Evaluierung eines geeigneten Studiendesigns zur Untersuchung energieeffizienten Fahrens mit BEVs unter realistischen Bedingungen
3.2 Forschungsziel 2: Untersuchung nutzerbezogener Einflussfaktoren auf das
energieeffiziente Fahren mit BEVs und dessen Potenzial für das reichweitenbezogene Nutzererleben
3.3 Forschungsziel 3: Incentivierung energieeffizienten Fahrens mit BEVs
4 Überblick über die Methodik der Dissertation
4.1 Die experimentelle Realfahrstudie
4.2 Die naturalistische Feldstudie im Längsschnittdesign
5 Diskussion und kritische Reflexion der Ergebnisse
5.1 Forschungsziel 1: Entwicklung und Evaluierung eines geeigneten Studiendesigns zur Untersuchung energieeffizienten Fahrens mit BEVs unter realistischen Bedingungen
5.2 Forschungsziel 2: Untersuchung nutzerbezogener Einflussfaktoren auf das
energieeffiziente Fahren mit BEVs und dessen Potenzial für das reichweitenbezogene Nutzererleben
5.3 Forschungsziel 3: Incentivierung energieeffizienten Fahrens mit BEVs
6 Implikationen der Ergebnisse und Schlussfolgerungen
6.1 Implikationen für das Studiendesign und die Untersuchungsmethodik
6.2 Implikationen für das bessere Verständnis nutzerbezogener Einflussfaktoren auf
das energieeffiziente Fahren mit BEVs und dessen Potenzial für das reichweitenbezogene Nutzererleben
6.3 Implikationen für die Incentivierung energieeffizienten Fahrens mit BEVs
7 Konklusion
8 Literatur
II Artikel I: Conducting a study to investigate eco-driving strategies with battery electric vehicles – a multiple method approach
III Artikel II: How driving experience and consumption related information influences eco-driving with battery electric vehicles – Results from a field study
IV Artikel III: Can electric vehicle drivers be persuaded to eco-drive? A field study of feedback, gamification and financial rewards in Germany
V Artikel IV: Positive influence of practical electric vehicle driving experience and range related knowledge on drivers` experienced range stress
VI Lebenslauf
VII Publikatione
Industrial Quality Assurance of Injection Molded Parts Using Photogrammetry, 3D Alignment, and Deviation Analysis
No full textQuality control in injection molding is critical to ensuring the precision and reliability of manufactured components. Traditional methods, such as manual inspection and coordinate measuring machines (CMM), can be time-consuming, costly, and prone to human error. In this contribution, we propose an updated approach to quality control by leveraging photogrammetry and 3D model comparison. The method involves capturing 2D images of the injection-molded part and using photogrammetry to reconstruct a high-fidelity 3D model. The reconstructed model is then aligned with a reference model of a perfect or high-quality part using alignment techniques, such as Iterative Closest Point (ICP). Deviation analysis is performed to determine the part's dimensional accuracy, generating visual maps and quantitative metrics of deviations. This approach enables automated, non-contact inspection, making it ideal for complex geometries where traditional methods fall short. Additionally, the proposed method offers significant advantages, including reduced inspection times, cost-effectiveness, and the ability to capture defects across the entire surface of the part. This study demonstrates the feasibility and accuracy of the proposed technique for real-world quality control scenarios, highlighting its potential to streamline manufacturing workflows in injection molding.Die Qualitätskontrolle beim Spritzgießen ist von entscheidender Bedeutung, um die Präzision und Zuverlässigkeit der hergestellten Komponenten zu gewährleisten. Herkömmliche Methoden wie die manuelle Prüfung und Koordinatenmessgeräte (KMG) können zeitaufwändig, kostspielig und anfällig für menschliche Fehler sein. In diesem Beitrag schlagen wir einen neuen Ansatz für die Qualitätskontrolle vor, bei dem Photogrammetrie und 3D-Modellvergleiche zum Einsatz kommen. Die Methode umfasst die Aufnahme von 2D-Bildern des Spritzgussteils und die Verwendung von Photogrammetrie zur Rekonstruktion eines hochgenauen 3D-Modells. Das rekonstruierte Modell wird dann mit einem Referenzmodell eines perfekten oder hochwertigen Teils unter Verwendung von Ausrichtungsverfahren wie Iterative Closest Point (ICP) ausgerichtet. Die Abweichungsanalyse wird durchgeführt, um die Maßhaltigkeit des Teils zu bestimmen, wobei visuelle Karten und quantitative Metriken der Abweichungen erstellt werden. Dieser Ansatz ermöglicht eine automatisierte, berührungslose Prüfung und ist damit ideal für komplexe Geometrien, bei denen herkömmliche Methoden versagen. Darüber hinaus bietet die vorgeschlagene Methode erhebliche Vorteile, wie z. B. kürzere Prüfzeiten, Kosteneffizienz und die Möglichkeit, Fehler auf der gesamten Oberfläche des Teils zu erfassen. Diese Studie zeigt die Durchführbarkeit und Genauigkeit der vorgeschlagenen Technik für reale Qualitätskontrollszenarien auf und verdeutlicht ihr Potenzial zur Rationalisierung von Fertigungsabläufen beim Spritzgießen
Ansätze zur modellbasierten Zustandsüberwachung am Beispiel einer mechanischen Schnellläuferpresse zur Rotor- Stator-Fertigung für E-Motoren
No full textFehlerzustände in Umformpressen sind für bis zu 30% der Ausfallzeiten im Presswerk
verantwortlich. Ursächlich hierfür sind häufig Verschleiß oder überlastbedingte Schäden in den
hochbeanspruchten Kraftübertragungskomponenten wie Lagern und Führungen. Eine intelligente
Zustandsüberwachung der Maschinen soll es ermöglichen zunehmenden Verschleiß und Schäden
frühzeitig zu erkennen und zu lokalisieren. Sensorausfälle haben mit bis zu 18% den größten
ursächlichen Anteil an Pressenausfallzeiten. Ein intelligentes Überwachungssystem sollte daher mit
einer minimalen Anzahl zusätzlicher Sensoren auskommen. In einem laufenden FuE-Projekt
entwickelt das ICM zusammen mit der Firma Zeulenroda Presstechnik GmbH ein solches Condition
Monitoring System für mechanischen Schnellläuferpressen. Grundlegende Untersuchungen an
einem digitalen Maschinenzwilling sollen Aufschluss über das Diagnosepotential vorhandener
Sensorsignale liefern. Hierfür werden Fehlerzustände in ein flexibles Mehrkörpermodell der
Maschine integriert. Die erzeugten synthetischen Sensordaten werden anschließend durch ein ML-
Modell ausgewertet. Im Ergebnis soll ein Mess- und Sensorkonzept sowie die entsprechenden
Auswertealgortihmen stehen, welche in einem nachgelagerten Schritt in die Maschinensteuerung
integriert werden können.Fault conditions in forming presses are responsible for up to 30% of downtime in the press shop.
This is often caused by wear or overload-related damage in the highly stressed power transmission
components such as bearings and guides. Intelligent machine condition monitoring should enable
the early detection and localization of increasing wear and damage. Sensor failures account for up
to 18% of press downtime. An intelligent monitoring system should therefore require a minimal
number of additional sensors. In an ongoing R&D project, the ICM is developing such a condition
monitoring system for high-speed mechanical presses together with Zeulenroda Presstechnik
GmbH. Fundamental studies on a digital machine twin should provide information about the
diagnostic potential of existing sensor signals. For this purpose, fault conditions are integrated into
a flexible multi-body model of the machine. The generated synthetic sensor data is then evaluated
by an ML model. The result should be a measurement and sensor concept as well as the
corresponding evaluation algorithms, which can be integrated into the machine control system in a
subsequent step
Constructive analysis and computer-certified formal proofs for selected control-theoretical aspects
No full textNowadays, computers are indispensable devices in the daily work of scientists. Specifically, control engineers use the computers in the design, evaluation, simulation and optimization of complex control systems of different kind. Notably, the advances in numerical methods and computer hardware significantly impacted the application of the control theory on a wide range of real-world problems. It is well-known within the computer science community that computers are capable not only to work with numerical problems, but are also general information processing devices. This means that the computation can be applied to a wide range of different non-numeric data types: strings, lists, graphs, logical premises, computer programs themselves and even mathematical statement and their proofs. In context of the mathematical proofs, this phenomenon is also known as the so-called proofs-as-programs paradigm - a direct correspondence between computer programs and mathematical proofs. The idea is pretty simple: by the appropriate encoding of the mathematical statements, axioms and assumptions, derive a finite sequence of steps such that this sequence gets accepted by a certain computational device. The paradigm can be used for conceptional correctness, software verification and certification. This are undoubtedly desirable properties of any controller and/or controlled real-world system. Unfortunately, the classical model of the mathematics most commonly used for this purpose is not well-suitable, especially when dealing with the real numbers and continuous quantities, several issues regarding undecidability, non-computability and uncertainty arise. In contrast, this present work addresses the reasoning within the constructive analysis, which is a model of mathematics which is very close to computational devices and is valid within the framework of classical mathematics. This theoretical framework is applied to selected control-theoretical aspects, such as asymptotical stability of dynamical systems in sense of Lyapunov, existence of the solutions of ordinary differential equations, sliding-mode control and controller's verification. The work is motivated by various examples of different sources of the so-called computational uncertainty, i.e. a discrepancy between theoretical results and their computer realization, which might arise in the control theoretical applications. It demonstrates the principle possibility of deriving formal and computer-assisted proofs for the control theoretical purposes and thus contributing towards the so-called algorithmic control theory. The application of the derived theorems were demonstrated on several examples from control theory
Introducing an Integrated Model of Individual Agility: Agile Practicing, Agile Learning, and Agile Thinking in the Workplace
No full textToday’s business environment is increasingly marked by volatility, uncertainty, complexity, and ambiguity (VUCA). To stay competitive in VUCA environments, organizations are increasingly implementing agility into their business models. Agility as the ability to sense and respond to change has gained remarkable popularity and is increasingly used across various industries. Previous research, predominantly originating from technical and software fields, usually focused on specific parts, like the implementation of agile practices (e.g., Scrum or Kanban). In the literature, however, agility is often described as a holistic framework that encompasses various dimensions within an organization. It changes work systems by prioritizing people over processes and promotes a shift towards people-centric values and communication. Agility influences organizational dynamics as it challenges employees’ ways of thinking, learning, and behaving.
This dissertation adopts a psychological perspective to the study of agility by focusing on the experiences of individuals in organizations. Individual agility is defined as an employee's skillset to proactively recognize change and adapt as needed. The overall research objective is to create a more holistic understanding of individual agility in the workplace. Therefore, this dissertation introduces an integrated model of individual agility that presents individual agility as a competitive advantage for organizations in today's VUCA environment. In this model, individual agility is categorized into three agile facets: (1) agile practicing, (2) agile learning, and (3) agile thinking. Three empirical field studies—one per agile facet— investigate their relations to employees’ affective, behavioral, and cognitive workplace outcomes. Each study addresses the overall research objective of this dissertation by shedding light on one facet of individual agility and its impact on workplace outcomes. Additionally, each study serves a specific objective within its respective facet of individual agility: exploring mediating and boundary conditions in agile practicing (Study 1); fostering the integration of agile learning into occupational literature (Study 2); and validating agile thinking within organizational psychology (Study 3).
Study 1 contributes to the overall research objective, by analyzing the relation between agile project management (i.e., agile practicing) and emotional exhaustion at work (affective outcome). Two field studies (Study 1a and 1b), each with a two-wave design (N = 307), found a negative relation between agile project management and emotional exhaustion. Regarding the study-specific objectives, namely, mediating and boundary conditions, higher levels of agile project management had significant negative indirect effects on emotional exhaustion via lower levels of work-related stress as a mediator. This indirect effect was significantly stronger for higher levels of a culture for psychological empowerment as a moderator. Contrary to the hypotheses, social competence and perceived team support had no moderating effects in this mediation process.
Study 2 addresses the overall research objective, by exploring the effects of Working Out Loud (i.e., WOL as an agile learning method) on three workplace outcomes: vigor (affective outcome), WOL behavior (behavioral outcome), and psychological empowerment (cognitive outcome). An intervention study (N = 507) with three measurement points—before WOL (pre), after WOL (post), and six months later (follow-up)—found an increase in participants’ WOL behavior and psychological empowerment at work both in the short- (pre/post) and long-term (pre/follow-up). Contrary to the hypothesis, there was no effect of WOL on participants’ vigor at work. In light of the study-specific objective, namely, to foster the integration of agile learning into research, four meta-principles for agile learning were introduced: self-direction, iteration, collaboration, and technology.
Study 3 adds to the overall research objective, by investigating the relation between the agile mindset (i.e., agile thinking) and four workplace outcomes: performance and innovative work behavior (behavioral outcomes), as well as vigor and emotional exhaustion (affective outcomes). A two-wave study (N = 411) tested the factorial, discriminant, and incremental validity of the agile mindset. In the individual analysis, significant effects between the agile mindset and all four workplace outcomes were found, with positive relations to performance, innovative work behavior, and vigor, as well as a negative relation to emotional exhaustion. Addressing the study-specific objective, namely, validating the agile mindset as a new construct, the effects were controlled for well-established psychological constructs. Results showed that enhancing the agile mindset can positively affect performance and innovative work behavior, beyond the influence of core self-evaluation, proactive personality, and prevention vs. promotion focus. Concerning affective outcomes, only a positive relationship for vigor when controlling for prevention vs. promotion focus was found, while the effect on emotional exhaustion diminished.
Taken together, the findings of this dissertation provide valuable insights into a more holistic understanding of individual agility in the workplace by introducing an integrated model of individual agility with three agile facets: (1) agile practicing, (2) agile learning, and (3) agile thinking. This systematic categorization facilitates a comprehensive examination of various facets of individual agility and enables a more nuanced understanding of its mechanisms within organizational dynamics. Three empirical field studies examine the impact of individual agility on a broad range of workplace outcomes. Across different methodological approaches—two-wave study, intervention study, validation of a new construct—individual agility shows desirable effects on workplace outcomes, leading to competitive advantages for organizations. The insights of this dissertation form an initial foundation for future research aiming to understand the complex and holistic role of individual agility. From a practical viewpoint, the results are particularly useful for organizations that want to improve their competitiveness through agility in today’s VUCA environment
The Interplay of Anthropomorphism, System Performance, and Culture on Attitude Formation Toward In-Vehicle Voice Assistants
No full textSprachassistenten im Fahrzeug erleichtern die Interaktion mit Infotainment-Systemen und tragen dadurch sowohl zum Komfort als auch indirekt zur Fahrsicherheit bei. Diese Vorteile lassen sich jedoch nur realisieren, wenn Fahrer Sprachassistenten aktiv und nachhaltig nutzen. Eine zentrale Voraussetzung für eine solche Nutzung ist eine positive Einstellung gegenüber der Technologie. Im Bereich Human Factors stehen Forschung und Entwicklung daher vor der Herausforderung, zu verstehen, wie solche Einstellungen – insbesondere Vertrauen, Akzeptanz und User Experience (UX) – entstehen und gezielt beeinflusst werden können. Diese Fragestellung gewinnt im globalisierten Automobilmarkt zunehmend an Bedeutung, da Sprachassistenten den unterschiedlichen Erwartungen von Nutzern in verschiedenen kulturellen Kontexten gerecht werden müssen. Vor diesem Hintergrund untersucht die vorliegende Dissertation die Einstellungsbildung zu Sprachassistenten in der Mensch-Maschine-Interaktion anhand einer Reihe von Studien in realen Fahrzeugen und Fahrsimulatoren auf drei Kontinenten mit insgesamt N = 406 Probanden. Zunächst wurde analysiert, ob sich internationale Nutzergruppen in ihren Einstellungen (Selbstbericht) gegenüber einem Human-Machine-Interface (HMI) im Fahrzeug sowie in ihrem Interaktionsverhalten (beobachtbares Verhalten) unterscheiden. Die untersuchten Nutzergruppen aus China, Deutschland und den Vereinigten Staaten zeigten Unterschiede sowohl in ihren Einstellungen als auch in ihrer Interaktionsleistung. Dabei wurde die jeweilige kulturelle Prägung als zentraler Erklärungsfaktor angenommen. Diese Erkenntnisse bildeten die Grundlage für weiterführende Untersuchungen und mündeten in der Entwicklung eines konzeptionellen Rahmenmodells, das auf etablierten Modellen basiert und eine strukturierte Analyse der Einstellungsbildung in der Mensch-Maschine-Interaktion ermöglicht. Das Modell identifiziert drei zentrale Einflussfaktoren: erscheinungsbezogene, leistungsbezogene und nutzerbezogene Faktoren. Zur empirischen Überprüfung wurde je ein repräsentativer Faktor aus jeder Kategorie ausgewählt: die anthropomorphe visuelle Gestaltung und die Reaktionslatenz des Sprachassistenten (erscheinungs- und leistungsbezogene Faktoren) sowie der kulturelle Hintergrund der Nutzenden (nutzerbezogener Faktor). Diese Auswahl basierte auf Erkenntnissen aus anderen Forschungsbereichen wie der Human-Computer Interaction und Human-Robot Interaction, in denen die Auswirkungen von Anthropomorphismus, Reaktionszeiten und kulturellen Einflüssen umfassend untersucht wurden. Um das Zusammenspiel dieser Faktoren auch im Kontext der Fahrer-Fahrzeug-Interaktion systematisch zu untersuchen, wurden zwei Fahrsimulatorstudien in China und Deutschland durchgeführt. Die Haupterkenntnisse waren, dass (1) die Reaktionslatenz einen universellen Einfluss auf Vertrauen, Akzeptanz und UX hatte: Kürzere Latenzen führten in beiden Kulturen durchweg zu höheren Bewertungen hinsichtlich Vertrauen, Akzeptanz und UX. Hingegen erwies sich (2) die Wirkung der anthropomorphen Gestaltung als kulturabhängig. In der deutschen Stichprobe beeinflusste Anthropomorphismus das Vertrauen in die Technologie nur bei einer langen Reaktionslatenz; in diesem Fall bevorzugten Probanden sowohl die nicht-anthropomorphe als auch die stark anthropomorphe Variante. Bei kurzer Latenz hatte die anthropomorphe Gestaltung hingegen keinen Einfluss auf das Vertrauen. In der chinesischen Stichprobe wurde der stark anthropomorphe Sprachassistent unabhängig von der Latenz durchweg positiver bewertet. Darüber hinaus zeigte sich (3) ein kulturabhängiger Einfluss auf die pragmatischen UX-Qualitäten, also funktionale Aspekte wie Effizienz: Während chinesische Probanden den stark anthropomorphen Sprachassistenten als effizienter und durchschaubarer wahrnahmen, beurteilten deutsche Probanden diese pragmatischen Qualitäten unabhängig von der visuellen Gestaltung. Im Gegensatz dazu zeigte die anthropomorphe Gestaltung hinsichtlich der hedonischen UX-Qualitäten – also emotionalen und erlebnisbezogenen Aspekten – keine kulturellen Unterschiede: In beiden Kulturen wurde die stark anthropomorphe Gestaltung als ansprechender und innovativer bewertet. Ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit ist, dass (4) Anthropomorphismus kein 'Allheilmittel' darstellt. Eine schrittweise Erhöhung der anthropomorphen Gestaltung führte nicht durchweg zu einer Verbesserung der UX, sondern verringerte im deutschen Kontext sogar das Vertrauen in die Technologie. Schließlich wurde deutlich, dass (5) kulturelle Unterschiede nicht nur die Einstellungen selbst, sondern auch die Priorisierung der Einflussfaktoren auf Akzeptanz beeinflussen: In Deutschland beeinflussten weder Latenz noch anthropomorphe Gestaltung die Akzeptanz direkt, sondern ausschließlich über Vertrauen. In China hingegen hatte die Latenz einen direkten Einfluss auf die Akzeptanz. Dieser Kontrast deutet auf kulturell unterschiedliche Mechanismen in der Einstellungsbildung hin. Die theoretische Relevanz dieser Arbeit liegt in der Weiterentwicklung des Verständnisses zur Einstellungsbildung in der Mensch-Maschine-Interaktion, insbesondere durch die Untersuchung des Zusammenspiels von systembezogenen und nutzerbezogenen Faktoren im interkulturellen Kontext. Der praktische Beitrag besteht einerseits in der Ableitung von Designempfehlungen für Sprachassistenten und andererseits in der Weiterentwicklung methodischer Ansätze für interkulturelle Forschung. Diese Dissertation bildet eine Brücke, die das theoretische Verständnis von Nutzereinstellungen mit deren praktischen Umsetzung verknüpft. Die Arbeit leistet so einen Beitrag zur Entwicklung von Sprachassistenten, die die vielfältigen Bedürfnisse und Erwartungen eines globalen Nutzerkreises berücksichtigen.:1 Introduction
1.1 Technological Evolution of Automotive Interfaces: Opportunities and Challenges
1.2 Overview of Manuscript
2 Driving Across Markets: An Analysis of a Human–Machine Interface in Different International Contexts
2.1 Aims of This Chapter
2.2 Related Work
2.3 Method
2.4 Results
2.5 Discussion
2.6 Summary and Next Steps
3 Theoretical Background
3.1 Theories of Trust
3.2 Theories of User Experience
3.3 Review on Factors Influencing Attitudes
3.4 Conceptual Framework
3.5 Aims of the Thesis
4 Overall Method
4.1 Human-Machine Interface and In-Vehicle Voice Assistant
4.2 Appearance-related Factor: Anthropomorphic Appearance
4.3 Performance-related Factor: Response Latency
4.4 User-related Factor: Operationalization of Culture
4.5 Operationalization of Attitudes
4.6 Driving Simulation
4.7 Procedure
5 The Importance of Timing – An Expert Evaluation on Latencies for Voice Assistants
5.1 Aims of This Chapter
5.2 Introduction
5.3 Method
5.4 Results
5.5 Discussion
5.6 Summary and Next Steps
6 Exploring the Interaction between Anthropomorphic Appearance and Performance on Trust and Acceptance of Voice Assistants
6.1 Aims of This Chapter
6.2 Introduction
6.3 Method
6.4 Results
6.5 Discussion
7 Anthropomorphic Design: A Tool, Not a Silver Bullet – How Anthropomorphic Appearance and Latency Shape Trust and Acceptance in Voice Assistants
7.1 Aims of This Chapter
7.2 Introduction
7.3 Method
7.4 Results
7.5 Discussion
8 Performance and Visual Appearance of In-Vehicle Voice Assistants Impact User Experience: A Comparative Study between Chinese and German Users
8.1 Aims of This Chapter
8.2 Introduction
8.3 Method
8.4 Results
8.5 Discussion
9 General Discussion
9.1 Overall Findings
9.2 Theoretical Implications
9.3 Practical Application
9.4 Methodological Contributions
9.5 Critical Reflection
9.6 Future ResearchIn-vehicle voice assistants (IVVAs) can enhance the interaction with in-vehicle infotainment systems, thereby improving both convenience and indirectly contributing to driving safety. However, these benefits can only be realized if drivers actively engage with IVVAs and integrate them into their driving routine. A key determinant of such engagement is a favorable attitude toward the technology, making it essential to understand how these attitudes – specifically trust, acceptance, and user experience (UX) – are formed and how they can be aligned with individual preferences. This need becomes particularly relevant in an increasingly globalized automotive market, where manufacturers must accommodate the diverse expectations of users across different cultural contexts. To address this issue, the present dissertation presents a series of studies conducted in real vehicles and driving simulators across three continents, involving a total of N = 406 participants. First, this dissertation investigated whether attitudinal and behavioral differences exist between international user groups when interacting with automotive human-machine interfaces (HMIs). The findings confirmed differences in both self-reported attitudes and interaction performance, positioning culture as a key explanatory factor. These insights provided the foundation for further investigations, which led to the development of a conceptual framework grounded in established models, providing a structured approach to understanding attitude formation in human-machine interaction. The framework delineates three critical categories of influencing factors: appearance-related, performance-related, and user-related factors. To systematically examine the interplay of these factors within the context of IVVAs, one representative factor was selected from each category: system’s anthropomorphic appearance, system’s response latency, and users’ cultural background. Building on this foundation, two driving simulator studies conducted in China and Germany explored how anthropomorphic appearance, response latency, and cultural background interact in shaping user attitudes towards IVVAs. The main outcomes were that (1) response latency was a universal determinant of trust, acceptance, and UX, with shorter response times consistently leading to more positive evaluations across both cultural groups. However, (2) the effects of anthropomorphic appearance were culture-dependent. In Germany, anthropomorphism only influenced trust when response latency was long, with non- and high anthropomorphic designs preferred over low anthropomorphic ones. In contrast, Chinese participants consistently favored high anthropomorphic IVVAs, regardless of response latency. Considering UX (3), anthropomorphic appearance influenced UX pragmatically in a culture-specific way, while Chinese participants perceived high anthropomorphic IVVAs as more efficient and dependable, German participants evaluated pragmatic UX independently of visual appearance. In contrast, the effects on hedonic qualities were universal. Eventually, (4) anthropomorphism is not a “ quick fix ”, as incremental increases in anthropomorphic appearance did not lead to significant improvements in UX and, depending on cultural context, could even diminish trust. Finally, the results highlighted that (5) cultural differences emerged in how attitudes are prioritized: In Germany, trust was central to the acceptance process, whereas in China, response latency retained a direct effect on acceptance, indicating differing mechanisms of attitude formation based on cultural affiliation. The theoretical contribution of this dissertation lies in advancing the understanding of attitude formation in human-machine interaction. Beyond the development of design recommendations for IVVAs, the practical contribution extends to the refinement of methodological approaches for cross-cultural research. Taken together, this dissertation bridges the gap between understanding user attitudes and advancing the development of IVVAs that cater to diverse needs and preferences of a global, culturally diverse audience.:1 Introduction
1.1 Technological Evolution of Automotive Interfaces: Opportunities and Challenges
1.2 Overview of Manuscript
2 Driving Across Markets: An Analysis of a Human–Machine Interface in Different International Contexts
2.1 Aims of This Chapter
2.2 Related Work
2.3 Method
2.4 Results
2.5 Discussion
2.6 Summary and Next Steps
3 Theoretical Background
3.1 Theories of Trust
3.2 Theories of User Experience
3.3 Review on Factors Influencing Attitudes
3.4 Conceptual Framework
3.5 Aims of the Thesis
4 Overall Method
4.1 Human-Machine Interface and In-Vehicle Voice Assistant
4.2 Appearance-related Factor: Anthropomorphic Appearance
4.3 Performance-related Factor: Response Latency
4.4 User-related Factor: Operationalization of Culture
4.5 Operationalization of Attitudes
4.6 Driving Simulation
4.7 Procedure
5 The Importance of Timing – An Expert Evaluation on Latencies for Voice Assistants
5.1 Aims of This Chapter
5.2 Introduction
5.3 Method
5.4 Results
5.5 Discussion
5.6 Summary and Next Steps
6 Exploring the Interaction between Anthropomorphic Appearance and Performance on Trust and Acceptance of Voice Assistants
6.1 Aims of This Chapter
6.2 Introduction
6.3 Method
6.4 Results
6.5 Discussion
7 Anthropomorphic Design: A Tool, Not a Silver Bullet – How Anthropomorphic Appearance and Latency Shape Trust and Acceptance in Voice Assistants
7.1 Aims of This Chapter
7.2 Introduction
7.3 Method
7.4 Results
7.5 Discussion
8 Performance and Visual Appearance of In-Vehicle Voice Assistants Impact User Experience: A Comparative Study between Chinese and German Users
8.1 Aims of This Chapter
8.2 Introduction
8.3 Method
8.4 Results
8.5 Discussion
9 General Discussion
9.1 Overall Findings
9.2 Theoretical Implications
9.3 Practical Application
9.4 Methodological Contributions
9.5 Critical Reflection
9.6 Future Researc
Development of High-Pressure Internal Flushing for Wire Electrochemical Machining
No full textWire electrochemical machining (WECM) is a variant of electrochemical machining, potentially
enabling the production of 2.5-dimensional geometries, such as fir tree slots in turbine discs, without
the necessity for task-specific tooling. Previous studies have shown that increasing flushing pressure
has a positive influence on both the productivity of the process and the ability to machine thicker
workpieces. A newly developed internal flushing method that utilizes high pressure (up to 100 bar)
is investigated in this paper. The electrolyte is transferred to the working gap through the hollow tube
electrode and flushing holes oriented perpendicularly to the workpiece surface, enabling effective
flushing. This study presents the influences of flushing pressure, voltage and different hole
configurations on productivity. Furthermore, the surface quality achieved under different parameter
settings is examined
The effect of gas pores on surface formation in electrochemical jet machining of additively manufactured Inconel 718
No full textAdditively manufactured (AM) materials are seeing increasing utilization in industrial applications,
generally requiring some form of post-processing operation after AM to improve surface finish.
Electrochemical jet machining (EJM) techniques have previously been proposed as a route to
surface finish AM parts. Despite this, limited research has been conducted to investigate the effects
of AM defects on surface formation, both for EJM and ECM methods more broadly. This study aims
to explore the effects of internal porosity, a common AM defect, on the resulting surface finish during
a serial sectioning process undertaken by EJM on an Inconel 718 workpiece manufactured by direct
energy deposition (DED) AM. Individual pores are sectioned by EJM and observed by optical
microscopy to further the understanding of the electrochemical surface formation mechanisms, with
consideration of the ‘memory effect’ and rounding effects
Pulse electrochemically machined surfaces
No full textPulse Electrochemical Machining (PECM) is a contactless micromachining technique beneficial to
critical applications requiring contamination-free, defect-free surfaces. In this study, surfaces of
various steels, Inconel 718 and technical pure molybdenum were prepared by both abrasive
polishing and PECM. Scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray (EDX)
spectroscopy and tactile profilometry were used to assess roughness, surface morphology, grain
structure and surface elemental composition. PECM-processed surfaces exhibited smooth, uniform
topographies with no foreign inclusions. EDX analyses confirmed the absence of exogenous
contaminant films, localized deposition and particulates. Additionally, selected samples were
investigated by X-ray diffraction (XRD) showing that PECM leads to surfaces with low internal stress