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Einfluss mechanischer Hauteigenschaften und statischer Druckbelastungen auf die plantare Sensibilität
No full textSeitdem erste Hominiden vor ca. 6 bis 7 Mio. Jahren begannen, aufrecht zu gehen, ist die Fußsohle der einzige physische Kontakt zum Untergrund. Dieser einzigartigen Situation entsprechend, werden die Signale plantarer Mechanorezeptoren nicht nur zur Wahrnehmung der Beschaffenheit und Struktur des Untergrundes genutzt. Ihre Afferenzen sowie resultierende Efferenzen tragen auch zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts bei. Mit dem Ziel, die plantare Sensibilität besser zu verstehen und quantifizieren zu können, erforscht diese kumulative Doktorarbeit zwei nahezu omnipräsente Einflussfaktoren der plantaren Sensibilität. Da das Körpergewicht beim Stand und im Gang jederzeit auf den Fußsohlen lastet, behandelt der erste Beitrag den Einfluss eines Auflagekraft auf die plantare Vibrationswahrnehmung (Studie 1). Anhand der Ergebnisse wird erörtert, welche Ursachen für den Zusammenhang zwischen Auflagekraft und Vibrationssensibilität verantwortlich sein könnten, und welche Möglichkeiten sich für eine Standardisierung der Auflagekraft bei der Erhebung von VPTs ergeben. Die darauffolgenden Beiträge thematisieren den Einfluss der mechanischen Hauteigenschaften auf die plantare Sensibilität. In Studie 2 wird aus evolutionsbiologischer Perspektive die Hauthärte und Epidermisdicke sowie die Vibrationssensibilität barfuß lebender und schuhtragender Probanden verglichen. Dabei wird untersucht, ob Hornhaut - eine natürliche Anpassung zum Schutz vor hohen mechanischen Belastungen - die plantare Sensibilität einschränkt und Gangparameter während des initialen Fersenaufsatzes modifiziert. Der dritte Beitrag behandelt den Effekt einer Abrasion der plantaren Hornhaut auf die plantare Vibrations- und Druckwahrnehmung (Studie 3). Das mechanische und sensorische Verhalten der Haut gegenüber den applizierten Reizen wird im Rahmen der Ergebnisse diskutiert, und resultierende Vor- und Nachteile der angewandten Methoden zur Erhebung der plantaren Sensibilität aufgezeigt. Die Zusammenfassung aller Untersuchungen in der finalen Diskussion betrachtet die wichtigsten Ergebnisse unter Einbezug der aktuellen Literatur und bildet eine Wissensbasis, auf die zukünftige Forschungsprojekte zum tieferen Verständnis des Einflusses von Druckbelastungen und Hauteigenschaften auf die plantare Sensibilität aufbauen können.:Inhaltsverzeichnis VIII
Abbildungsverzeichnis X
Tabellenverzeichnis XII
Abkürzungsverzeichnis XIII
1 Motivation und Struktur der Arbeit 15
2 Grundlagen unbehaarter Haut 21
2.1 Zum Aufbau der unbehaarten Haut 23
2.1.1 Hypodermis 23
2.1.2 Dermis 24
2.1.3 Basalmembranzone 25
2.1.4 Epidermis 26
2.1.5 Besonderheiten plantarer Haut 31
2.1.6 Zur Adaptionsfähigkeit plantarer Haut 32
2.2 Zur Mechanorezeption unbehaarter Haut 34
2.2.1 Meissner Körperchen 35
2.2.2 Vater-Pacini-Körperchen 36
2.2.3 Merkelzell-Neuriten-Komplex 37
2.2.4 Ruffini-Körperchen 39
2.2.5 Reizweiterleitung und Verarbeitung 40
2.2.6 Zur Mechanorezeption plantarer Haut 42
3 Methodische Hinweise 44
3.1 Quantifizierung kutaner Mechanorezeption 44
3.1.1 Vibrationswahrnehmungsschwellen 45
3.1.2 Semmes-Weinstein-Monofilamente 47
3.2 Quantifizierung mechanischer Hauteigenschaften 48
3.2.1 Durometer 48
3.2.2 Ultraschall 49
4 Eigener Beitrag 51
4.1 VPTs of Skin Mechanoreceptors are influenced by different contact forces 51
4.2 Foot callus thickness does not trade off protection for tactile sensitivity during walking 54
4.3 Does plantar skin abrasion affect cutaneous mechanosensation? 58
5 Diskussion 61
5.1 Einfluss des Auflagedrucks auf die plantare Vibrationswahrnehmung 61
5.1.1 Welche Auflagekraft sollten Vibrationswahrnehmungsschwellen nutzen? 66
5.1.2 Effekt der Auflagekraft in aufrechter Körperposition 67
5.2 Einfluss mechanischer Hauteigenschaften auf die plantare Mechanorezeption 69
5.2.1 Einfluss auf Vibrationswahrnehmungsschwellen 71
5.2.2 Einfluss auf Semmes-Weinstein-Monofilamentschwellen 73
6 Zusammenfassung 76
7 Literaturverzeichnis 78
8 Anhang 9
Multifunctional 4D-Printed Sperm-Hybrid Microcarriers for Biomedical Applications
No full textThe field of biomedical sciences has been expanded through the introduction of a novel cohort of soft and intelligent microrobots that can be remotely operated and controlled through the use of external stimuli, such as ultrasound, magnetic fields, or electric fields, or internal stimuli, such as chemotaxis. The distinguishing factor of these microrobots lies in their propulsion system, which may encompass chemical, physical, or biohybrid mechanisms. Particularly, microrobots propelled by motile cells or microorganisms have found extensive usage because they combine the control/steerability and image-enhancement capabilities of the synthetic microstructures with the taxis and cell-interaction capabilities of the biological components. Spermatozoa (sperms), among other types of motile microorganisms and cells, are promising biological materials for building biohybrid microrobots because they are inherently designed to swim through complex fluids and organs, like those in the reproductive system, without triggering negative immune responses. Sperms are suitable for a variety of gynecological healthcare applications due to their drug encapsulating capability and high drug-carrying stability, in addition to their natural role of fertilization.
One objective of this project is to help sperms reach the site of fertilization in vivo where the sperm count is low (20 million sperm per mL), a condition known as oligospermia. In order to reach this goal, we are developing alternative strategies for transporting a significant number of sperms, as well as improving the functionality of sperm-hybrid microcarriers. Here, we use a thermoresponsive hydrogel made of poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) and a non-stimuli-responsive polymer (IPS photoresist) to create four dimensional (4D)-printed sperm-hybrid microcarriers via two-photon polymerization (TPP). We present a multifunctional microcarrier that can: i) transport and deliver multiple motile sperms to increase the likelihood of fertilization, ii) capacitate/hyperactivate the sperms in situ through the local release of heparin, and iii) assist the degradation of the hyaluronic acid (HA), present in extracellular matrix (ECM) of oocyte-cumulus surrounded the Egg. HA degradation occurs through the local action of hyaluronidase-loaded polymersomes (HYAL-Psomes) that have been immobilized on the microcarrier's surface. Dual ultrasonic (US)/photoacoustic (PA) imaging technology can also be used to visualize a swarm of microcarriers, making them ideal candidates for upcoming in vivo applications.
In addition, as a second objective, we demonstrate that similar sperm-hybrid microcarriers can be utilized to deliver targeted enzymes and medication for the treatment of gynecological cancer. As proof of concept, we show that combined therapy using enzymes and anti-cancer drugs is an appealing strategy for disrupting the tumor tissue microenvironment and inducing cell apoptosis, thereby offering a more effective cancer therapy. To achieve this, we functionalize the microcarriers with polymersomes loaded with enzymes (such as hyaluronidase and collagenase) and anti-cancer drugs (such as curcumin), respectively, and demonstrate their cargo-release capability, enzyme function, and therapeutic effect for targeting cervical cancer cells in vitro.:Abstract iv
1 Introduction 1
1.1 Motivation 1
1.2 Objectives 3
1.3 Structure of this dissertation 4
2 Background 5
2.1 Introduction on additive manufacturing technology 5
2.2 Direct laser writing (DLW) based on two-photon polymerization 6
2.2.1 Writing principles of two-photon lithography 8
2.2.2 Available materials for two-photon lithography 9
2.2.3 Engineering (Preprogrammed designs) 12
2.3 4D Lithography 13
2.3.1 Biodegradable microrobot 13
2.3.2 Stimuli-responsive micromotors 15
2.3.3 Other 4D-printing approaches 17
2.4 Motion at the microscale (Micromotility) 21
2.4.1 Physical propelled micromotors 23
2.4.2 Chemical propelled micromotors 32
2.4.3 Biohybrid micromotors 34
2.5 Other two-photon polymerized microrobots and their biomedical applications 35
2.5.1 Functionalized carriers 36
2.5.2 Multiple-cell carrying scaffolds 38
2.5.3 Single particle and cell transporters 39
2.6 Comparison of 3D and 4D-lithography with other fabrication methods 42
3 Materials and methods 44
3.1 Synthesis and fabrication 44
3.1.1 Synthesis of PNIPAM 44
3.1.2 Fabrication of microcarrier 44
3.1.3 Preparation of sperm medium and sperm solution 45
3.1.4 Preparation and composition of different body fluids 45
3.1.5 Fluidics channels 46
3.1.6 In situ preparation of microcarriers and sperms 46
3.1.7 Loading of microcarriers with heparin 46
3.1.8 Synthesis of block copolymers (BCPs) 47
3.1.9 Fabrication of Empty-Psomes A and D 48
3.1.10 Preparation of Curcumin complex CU(βCD)2 and calibration curve 49
3.1.11 Fabrication of cargo-loaded Psomes with enzymes and antitumoral drug 50
3.2 Characterization 51
3.2.1 MTS-Assay 51
3.2.2 Toluidine blue assay 52
3.2.3 Characterization of Empty-Psomes A and D: pH cycles and pH titration by dynamic light scattering (DLS) 53
3.2.4 Characterization of cargo-loaded Psomes with enzymes and antitumoral drug 54
3.2.5 Loading efficiency of HYAL-Psomes 55
3.2.6 Loading efficiency of MMPsomes 56
3.2.7 Loading efficiency, stability and release study of CU(βCD)2-Psomes 57
3.2.8 Size and polydispersity analysis of cargo-loaded Psomes in different simulated body fluids by DLS 58
3.2.9 Conformation and stability study of cargo-loaded Psomes in different simulated body fluids by asymmetric flow field flow fractionation (AF4) 59
3.2.10 Immobilization of the cargo-loaded Psomes on the surfaces 61
3.2.11 Enzymatic assay of HYAL for enzyme activity measurement 62
3.2.12 Enzymes assay in different simulated body fluids 64
3.2.13 Stability study of RhB-HYAL-Psomes in different pH 65
3.2.14 Calculation of the magnetic field flux of an external hand-held magnet 66
3.3 Temperature actuation and imaging 67
3.3.1 Temperature actuation test of PNIPAM and video recording 67
3.3.2 Hybrid ultrasound (US) and photoacoustic (PA) Imaging 67
3.4 Other useful information 68
3.4.1 pH and temperature through the female reproductive tract 68
3.4.2 Calculation of the light-to-heat conversion during imaging process 69
4 Multifunctional 4D-printed sperm-hybrid microcarriers for assisted reproduction 72
4.1 Background 72
4.2 Concept and fabrication of the 4D-printed microcarriers 74
4.3 Sperm coupling and geometrical optimization of microcarrier 77
4.4 Characterization of the 4D-printed streamlined microcarriers 78
4.5 Microcarrier loaded with heparin for in situ sperm capacitation 82
4.6 Microcarriers decorated with HYAL-Psomes for in situ degradation of the HA-cumulus complex 86
4.6.1 Immobilization of HYAL-Psomes on the microcarrier’s surface 89
4.6.2 Qualitative study of cumulus cell removal 90
4.7 Sperm-microcarrier motion performance in oviduct-mimicking fluids 91
4.7.1 Capture, transport, and release of sperms 92
4.7.2 Sperm-microcarrier motion performance on ex vivo oviduct tissue 93
4.8 Tracking of a swarm of microcarriers with a dual ultrasound (US) and photoacoustic (PA) imaging system 95
4.9 Summary 96
5 Polymersomes-decorated micromotors with multiple cargos for gynecological cancer therapy 98
5.1 Background 98
5.2 Characterization and size quantification of Psomes before and after loading of cargoes by DLS, and Cryo-TEM 103
5.3 Characterization and size quantification of cargo-loaded Psomes by DLS, and Cryo-TEM in different simulated bodily fluids 104
5.4 Immobilization and characterization of cargo-loaded Psomes on the microcarrier’s surface 106
5.5 Immobilization and characterization of dual cargo-loaded Psomes on the microcarrier’s surface 108
5.6 Investigation of ECM degradation and antitumoral effect of cargo-loaded Psomes 110
5.7 Magnetic and bio-hybrid guidance of microcarriers toward targeted cargo delivery 115
5.8 Summary 117
6 Conclusion and Outlook 119
6.1 Achievements 119
6.2 Outlook 121
Bibliography I
List of Figures and Tables XXI
Acknowledgements and funding XXIV
Scientific publications and contributions XXVI
Curriculum Vitae XXVI
Integration der Augmented Reality in den Instandhaltungsplanungsprozess von Werkzeugmaschinen
No full textWerkzeugmaschinen besitzen als Produktionsmittel einen wesentlichen Anteil an der Gesamtheit der industriellen Produktion. Als Investitionsgut muss eine hohe Verfügbarkeit und lange Lebensdauer erzielt werden, die durch einen optimalen Instandhaltungsprozess abgesichert werden muss. Durch die immer höheren Anforderungen an die Produktion neuer Produkte werden Werkzeugmaschinen jedoch komplexer und individueller, das zu aufwendigeren und komplizierteren Instandhaltungsprozessen führt. Dazu muss der Instandhalter komplexere Tätigkeiten ausführen, die Spezialwissen verlangen und höheres Potenzial für Fehler besitzen. Zur Verbesserung des Instandhaltungsprozesses werden neben der technischen Dokumentation der Werkzeugmaschine neue digitale Methoden, wie die Augmented Reality (AR), eingesetzt. Dabei entstehen neue Problemfelder, da entsprechend viel Fachwissen des Instandhaltungsplaners erforderlich ist, der Einsatz der neuen Technologie eine hohe Komplexität aufweist und der Planungsprozess einen erheblichen Aufwand zur individuellen Anpassung an die jeweilige Werkzeugmaschine erfordert. In dieser Arbeit werden der Instandhaltungsplanungsprozess von Werkzeugmaschinen unter Nutzung der AR-Technologie analysiert und neue Methoden und Konzepte zur Integration verschiedener AR-Komponenten sowie Unternehmenssysteme und -daten in den Planungsprozess entwickelt, die anhand verschiedener Instandhaltungsszenarien verifiziert werden.:Abkürzungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation zur Anwendung der Augmented Reality bei der Instandhaltung von Werkzeugmaschinen
1.2 Problemstellung des Einsatzes der Augmented Reality bei der Instandhaltung von Werkzeugmaschinen
2 Stand der Technik
2.1 Instandhaltung von Werkzeugmaschinen
2.1.1 Die Werkzeugmaschine als Instandhaltungsobjekt
2.1.2 Begriff der Instandhaltung
2.1.3 Maßnahmen zur Instandhaltung
2.1.4 Technische Dokumentation für die Instandhaltung
2.1.5 Diskussion bestehender technischer Dokumentationsformen
2.2 Augmented Reality
2.2.1 Entwicklung der Augmented Reality
2.2.2 Merkmale der Augmented Reality
2.2.3 Hard- und Software-Komponenten der Augmented Reality
2.2.4 Technische Anwendungsgebiete der Augmented Reality
2.2.5 Frameworks für Augmented-Reality-Anwendungen
2.2.6 Erstellungskonzepte für Augmented-Reality-Anwendungen
2.3 Augmented Reality in der Instandhaltung von Werkzeugmaschinen
2.3.1 Vorteile der Nutzung von Augmented Reality in der Instandhaltung
2.3.2 Augmented-Reality-Nutzungskonzepte für die Instandhaltung
2.3.3 Augmented-Reality-Erstellungskonzepte für die Instandhaltung
2.3.4 Diskussion bestehender Augmented-Reality-Erstellungskonzepte
2.4 Zusammenfassung Stand der Technik
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
3.1 Zielsetzung
3.2 Vorgehensweise
4 Methode zur Integration der Augmented Reality in die Instandhaltung
4.1 Anforderungen an die Augmented-Reality-basierte Instandhaltung
4.1.1 Anforderungen an die Augmented-Reality-Anwendung
4.1.2 Anforderungen an die Augmented-Reality-Komponenten
4.1.3 Anforderungen an die Instandhaltungsdokumentation
4.1.4 Anforderungen an den Instandhaltungsplanungsprozess
4.2 Konzept des Augmented-Reality-Systems zur Instandhaltung
4.2.1 Konzept des Instandhaltungsplanungsprozesses
4.2.2 Konzept des Augmented-Reality-Gesamtsystems
4.3 Integration von Augmented-Reality-Komponenten
4.3.1 Kamerabild
4.3.2 Tracking
4.3.3 Visualisierung
4.3.4 Interaktion
4.4 Integration von Produktionsdaten
4.4.1 CAD-Anwendung
4.4.2 Dokumentationsanwendung für die Instandhaltung
4.4.3 PDM-System
4.5 Integration von Maschinendaten
4.5.1 Manufacturing Execution System
4.5.2 Maschinensteuerung
5 Verifikation der Methode
5.1 Vorgehensweise der Verifikation
5.2 Definition der Instandhaltungsszenarien
5.2.1 Instandhaltungsszenario A: Dreh-Fräs-Bearbeitungszentrum
5.2.2 Instandhaltungsszenario B: Drahtziehmaschine
5.3 Anwendung der Methode auf die Instandhaltungsszenarien
5.3.1 Instandhaltungsszenario A: Dreh-Fräs-Bearbeitungszentrum
5.3.2 Instandhaltungsszenario B: Drahtziehmaschine
5.4 Auswertung der Methode
6 Zusammenfassung und Ausblick
6.1 Zusammenfassung
6.2 Ausblick
Literaturverzeichni
TUC Digital Studies: Schriftenreihe Soziologie mit Schwerpunkt Technik am Institut für Soziologie der TU Chemnitz
No full textDie Schriftenreihe TUC Digital Studies beschäftigt sich einerseits mit grundlegenden Forschungsfragen, etwa nach der wechselseitigen Beeinflussung von Internet und Gesellschaft oder der Grenzziehung zwischen Mensch und Maschine. Andererseits widmet sie sich aktuellen Erscheinungsformen, Ursachen und Folgen konkreter Phänomene wie etwa Digitale Arbeit, Sozialrobotik, Smart Home-Technologien, oder der Automatisierung von Kommunikation durch generative KI. Es werden sowohl empirische als auch theoretische Beiträge publiziert.On the one hand, the TUC Digital Studies series deals with fundamental research questions, such as the mutual influence of the Internet and society or the demarcation between man and machine. On the other hand, it is dedicated to current manifestations, causes and consequences of concrete phenomena such as digital work, social robotics, smart home technologies, or the automation of communication through generative AI. Both empirical and theoretical contributions are published
Über die Bestimmung der Bruchzähigkeit von monokristallinen Schichten und deren Haftfestigkeit als Dünnschicht auf Siliziumsubstrat mittels instrumentierter Eindringprüfung
No full textIn der vorliegenden Arbeit wird eine experimentelle Prüfmethodik zur Untersuchung der Haftfestigkeit von spröden monokristallinen Schichten auf Siliziumträgersubstraten entwickelt. Ziel ist eine produktionsbegleitende Bewertung der Verbindungseigenschaften. Das experimentelle Verfahren erlaubt die direkte Messung der Haftfestigkeit auf Wafer-Ebene. Dabei wird ein entscheidender Nachteil von alternativen Verfahren überwunden: die Probenpräparation. Die Nutzung der instrumentierten Eindringprüfung ermöglicht es, sowohl die Versuche als auch die Auswertung zu automatisieren. Aufgrund dessen ist sie für den industriellen Einsatz geeignet.
Für die Berechnung der Haftfestigkeit werden Finite-Elemente- sowie analytische Modelle verwendet und miteinander verglichen. Der Gültigkeitsbereich der analytischen Modelle wird durch den Vergleich mit den Finite-Elemente-Modellen aufgezeigt. Zusätzlich wird die Entwicklung des Phasenwinkels, welcher die Rissmodeanteile beschreibt, veranschaulicht. Die Untersuchungen erfolgen exemplarisch am Schichtsystem von Lithiumtantalat-Dünnschichten auf einem Siliziumträgersubstrat.
Ein weiterer Teil der Arbeit widmet sich der Untersuchung der Bruchzähigkeit von spröden monokristallinen Wafern. Diese wird sowohl über Eindring- als auch über Biegeversuche ermittelt. Die Ergebnisse decken sich mit den in der Literatur aufgeführten theoretischen und experimentellen Werten und belegen die Verwendbarkeit der Methode.:1 Einleitung und Motivation
2 Theoretische Grundlagen
3 Stand der Technik zur Bestimmung der Bruchzähigkeit
4 Stand der Technik zur Haftfestigkeitsmessung von Dünnschichten
5 Materialsystem und Versuchsstand
6 Bruchzähigkeit von LTO
7 Haftfestigkeit von LTO-Dünnschichten auf Siliziumsubstrat
8 Zusammenfassung
Anhang A.1 Versuchsergebnisse der Bruchzähigkeitsmessung von LTO
Anhang A.2 Simulationsergebnisse
Anhang A.3 Kontaktfläche der Schneidengeometrie
Anhang A.4 Parameter der FE-Simulationsmodell
Numerische Simulation und Analyse des Fertigungsprozesses von vorgewölbten Berstscheiben
No full textBei der Druckabsicherung von verfahrenstechnischen Anlagen spielen Berstscheiben eine
entscheidende Rolle. Sie reagieren auf kritische Druckänderungen im zu schützenden System und
geben ihren Entlastungsquerschnitt bei Bedarf vollständig frei. Als drucktragende Komponente
einer Berstscheibe muss die Berstmembran die regulären Betriebsbelastungen des
abzusichernden Prozesses zuverlässig abtragen und darf erst bei Erreichen einer kritischen
Druckbelastung ansprechen. Aufgrund ihres guten Tragverhaltens bieten Berstscheiben mit
vorgewölbter Berstmembran ein breites Einsatzspektrum. Während des Fertigungsprozesses von
vorgewölbten Berstscheiben wird eine anfänglich flache Blechronde über einen Aeroforming-
Prozess zu einer Berstmembran mit annähernd sphärischer Gestalt geformt. Dieser plastische
Deformationsprozess wird über eine numerische Simulation mittels Finite-Elemente-Methode
beschrieben und die dabei wirkenden Zusammenhänge aufgezeigt. Die Simulation wird zudem
durch experimentelle Versuche begleitet und validiert.Rupture discs play an essential role in the pressure protection of process engineering
systems. They react to critical pressure changes in the system to be protected and fully release
their relief cross-section as required. As the pressure-bearing component of a rupture disc, the
rupture diaphragm must reliably withstand the regular operating loads of the process to be
protected and may only respond when a critical pressure load is reached. Due to their good load-
bearing behavior, rupture discs with pre-domed rupture diaphragms offer a wide range of
applications. During the manufacturing process of pre-domed rupture discs, an initially flat sheet
metal blank is formed into a rupture diaphragm with an approximately spherical shape using an
aeroforming process. This plastic deformation process is described by a numerical simulation
using the finite element method and the relationships involved are shown. The simulation is also
accompanied and validated by experimental tests
Hardware-supported test environment analysis for CAN message communication
No full textRecent innovations in technology and demands for more functionality increased
software size in cars up to 100 million lines of code. Explosion in software size is
accompanied by an increased number of ECUs. Testing of software became more
complex than ever. To be able to test the exact timing behavior of a software, it needs to be put on actual hardware. HIL test benches have become an indispensable part of ECU testing. The hard part of ECU testing is their dependency on each other. ECUs communicate to each other by passing information in the form of CAN messages. This makes testing a single ECU alone without its environment impossible. Because of their dependencies on each other they need to be integrated first to be tested. Before HIL benches those tests were done either on vehicles or in integration labs where ECUs are connected to each other in a lab environment. Advances in software science brought up an invention known as rest-bus simulation. In some sources it is also known as residual bus or rest of the bus simulation. HIL platforms simulate missing nodes and messages as if the actual hardware is there. HIL platforms blend the real world and simulated ones in real time. Device under test thinks it is present in a vehicle.
Established HIL platforms solved many problems that existed in software projects.
However, because of their cost, only a small number of such platforms are affordable
within a company. Developers need to wait in long queues to test their ECUs. These
waiting times can be even longer in agile software development methodologies due to their frequent testing needs. It is believed that front-loading tests before the HIL is the solution to this problem. The aim of this thesis is to investigate alternative small form factor HIL platforms which could be placed on every developer’s desk. To place the proposed solution at every desk, the solution must be affordable and portable. The solution will hopefully reduce queues accumulating behind established HIL platforms and shorten testing times. For this end, state-of-the-art HIL solutions will be
investigated. Afterwards, a working proof-of-concept will be demonstrated in the form
of residual bus simulation and gateway application. Portability of the solution is a must for the gateway application. Test engineers use gateway applications to alter some signal values either on HIL or on-vehicle. Only small and easy to carry solutions are feasible for on-vehicle testing. It will be shown that the proposed solution will reduce the testing time and testing cost. In addition to them, an increase in parallelism, testing frequency, and software quality will be observed by bringing testing equipment to every developer’s desk
Optimization based Analysis of Highly Automated Driving Simulation
No full textIn recent years, there have been remarkable advancements in automated driving systems. Consumer protection organizations, such as Euro NCAP, play a pivotal role in enhancing the overall safety of these modern vehicles. While previous emphasis has been on passive safety, the significance of active safety systems has surged in recent years. Evaluating the performance of these systems now relies on standardized test scenarios designed to simulate real-world accidents. Addressing this challenge, the future necessitates the incorporation of virtual methods to supplement traditional track tests. Given the complex nature of high-dimensional test cases, an exhaustive grid search is exceedingly time-consuming. In light of this challenge, we present a novel testing method utilizing search-based testing with Bayesian Optimization to efficiently navigate and explore the expansive search space of Euro NCAP CCR scenarios to identify the performance-critical scenarios.
The methodology incorporates the Brake Threat Number as a robust criticality metric within the fitness function, providing a reliable indicator for assessing the inevitability of collisions. Furthermore, the research utilizes a surrogate model derived from the evaluation points used by the optimization algorithm to determine the performance-critical boundary that separates the critical and the non-critical
scenarios. Additionally, this approach leverages the surrogate model for conducting sensitivity analysis, explaining the impact of individual parameters on the system’s output
Voltage Controlled Current Source with Reduced Stray Capacitances Effect and Extended Impedance and Frequency Ranges
No full textBioimpedance spectroscopy is a non-invasive measurement technique in medical applications. It requires low amplitude current excitation to maintain safety. Designing a current source for this purpose is a challenge as it needs to maintain a stable and safe excitation current, below 0.5 mA, independent of the impedance and frequency.
Various topologies of voltage controlled current sources exist in the literature, where the Enhanced Howland Current Source (EHCS) and the Dual HCS (DHCS) show advantages concerning low output current deviation and high output impedance.
They are composed of operational amplifiers and resistors, where the operational amplifier's non-ideal characteristics, resistors' tolerance influence the circuit performance. In this thesis, we propose an analytical model to systematically select circuit components.
Stray capacitances influence the circuit' performance. Thus, we propose a new structure of the Howland current source to eliminate their effects. We have thereby successfully grounded the measured impedance on a virtual ground and isolated it from stray capacitances. As a result, we achieve a wide working bandwidth of 5 MHz and 7 MHz for EHCS and DHCS, respectively. Moreover, the circuits can deliver precise current for a high range of load reaching 10 kOhm.
The developed circuit solves critical requirements in the development of a bioimpedance spectrometers by ensuring the safety and accuracy in a wide frequency range and a wide impedance range.:1 Introduction
2 Theoretical background
3 Howland current sources
4 Methodical design of Howland Current Sources
5 Experimental investigations
6 Conclusions and Outloo
Eine Systematisierung der Anwendungsmöglichkeiten und Potenziale von Big Data Analytics in Innovationsökosystemen
No full textIm digitalen Zeitalter sind Innovationskraft und eine effiziente Adaption digitaler Technologien für Unternehmen entscheidend, um sich Wettbewerbsvorteile zu sichern. Der Einsatz digitaler Technologien für Innovation verspricht in diesem Zusammenhang nicht nur Produktivitätsvorteile, sondern steigert auch die Kundenzufriedenheit und macht Unternehmen agiler und widerstandsfähiger gegenüber Krisen. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Anwendung von Big Data Analytics, jedoch bestehen derzeit erhebliche Forschungsbedarfe, um genauer zu ergründen, wie Big Data Analytics systematisch in Innovationsökosystemen genutzt werden können. Zum einen herrscht ein Mangel an Forschung über die strategischen Beiträge von Big Data Analytics für Innovation, insbesondere im Kontext des Zusammenwirkens verschiedener Akteure. Zum anderen liegt der Fokus bestehender Forschungsarbeiten oft nur auf Teilaspekten der Anwendung von Big Data Analytics und vernachlässigt umfassendere Betrachtungen, aus einer Ökosystem-Perspektive heraus. Für die Praxis liegen die primären Hürden dabei häufig nicht in der Technologie selbst, sondern in deren Adaption innerhalb der wertschöpfenden Strukturen von Unternehmen.
Diese Dissertation zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen und untersucht die systematische Anwendung von Big Data Analytics in Innovationsökosystemen und nutzt dafür einen Design-Science-Research-Ansatz als übergeordnete Forschungsmethode. Im Dachbeitrag und in den Einzelbeiträgen des kumulativen Dissertationsvorhabens wird dafür gestaltungsorientierte Forschung angewendet, um theoretische Erkenntnisse direkt in die praktische Gestaltung und Entwicklung von Lösungen zu integrieren. Im Ergebnis liefert die Dissertation einen übergeordneten Ordnungsrahmen für die Anwendung von Big Data Analytics in Innovationsökosystemen, der die gesammelten Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt CODIFeY und den Einzelbeiträgen integriert. Damit trägt die Dissertation über den entwickelten Ordnungsrahmen und die IT-Artefakte der Einzelbeiträge dazu bei, ein besseres Verständnis für die strategische Nutzung digitaler Technologien zur Förderung von Innovation und Wettbewerbsvorteilen zu erreichen, was sowohl wissenschaftlich als auch praktisch einen Mehrwert bietet.:Danksagung i
Einzelbeiträge iii
Inhaltsverzeichnis iv
Abkürzungsverzeichnis x
Abbildungsverzeichnis xii
Tabellenverzeichnis xiv
Kurzzusammenfassung 1
Abstract 2
I. Dachbeitrag 3
1 Einleitung 3
1.1 Motivation 3
1.2 Problem- und Fragestellung 5
1.3 Zielstellung 8
1.4 Aufbau des Dachbeitrags 9
2 Forschungsansatz 11
2.1 Wissenschaftstheoretische Grundpositionierung 11
2.2 Forschungsmethode 12
2.2.1 Design Science Research als übergeordnetes Forschungsparadigma 12
2.2.2 Das Projekt Community-basierte Dienstleistungs-Innovation für e-Mobility 14
2.2.3 Aufbau des kumulativen Dissertationsvorhabens 17
3 Stand der Wissenschaft und Forschung 24
3.1 Big Data Analytics 24
3.2 Datengetriebene Innovation 25
3.3 Innovationsökosysteme aus der Perspektive der Service Dominant Logic 27
4 Gestaltung eines Ordnungsrahmens für die Anwendung von Big Data Analytics in Innovationsökosystemen 30
4.1 Das Modell eines Innovationsökosystems aus Sicht der Service Dominant Logic 30
4.2 Ableitung der Dimensionen des Ordnungsrahmens für die Anwendung von Big Data Analytics in Innovationsökosystemen 35
5 Eine Systematisierung von Anwendungsfällen von Big Data Analytics in Innovationsökosystemen 39
5.1 Big Data Analytics als Mittel für Innovation 39
5.2 Big Data Analytics als Ergebnis von Innovation 44
5.3 Demonstration & Evaluation des Ordnungsrahmens 50
6 Fazit 52
II. Research Papers of the Dissertation 55
Paper A – Capturing the Bigger Picture? Applying Text Analytics to Foster Open Innovation 55
A1 Introduction 57
A2 Background and Terminology 60
A2.1 Complexities of Sustainability-Oriented Innovation 60
A2.2 Open Innovation as an Instrument for Participation 62
A2.3 Sustainable-Oriented Innovation and Open Innovation 64
A2.4 Silent Stakeholders 67
A2.5 Research Focus: Text Analytics in Direct Search Methods for Sustainability-Oriented Innovation 69
A3 Action Research Study 72
A3.1 Description of the Action Research Cycle 72
A3.2 Diagnosing the Project Background 73
A3.3 Action Planning and Taking—Application of Text Analytics 77
A4 Results 82
A4.1 Findings from the Overall Discourse Analysis 82
A4.2 Findings from Zooming into Single Topics 84
A4.3 Applicability in the Innovation Process for the Label Development 85
A5 Discussion 87
A6 Implications and Conclusions 88
Paper B – What the Hack? – Towards a Taxonomy of Hackathons 92
B1 Introduction 93
B2 A Process-centric Perspective on Open Innovation and Hackathons 95
B3 Research Approach 97
B3.1 Taxonomy Development 97
B3.2 Literature Review 98
B4 A Taxonomy of Hackathons 101
B4.1 Overview of the Taxonomy 101
B4.2 Strategic Design Decisions 102
B4.3 Operational Design Decisions 104
B5 Discussion 107
B6 Conclusion 109
Paper C – Combining Open Innovation and Knowledge Management in Communities of Practice - An Analytics Driven Approach 110
C1 Introduction 111
C2 Foundations 113
C2.1 Knowledge Management and Innovation 113
C2.2 Communities of Practice 114
C2.3 Analytics domains 114
C3 Research Methodology 117
C4 Conceptual Framework for the Integration of Open Innovation and Knowledge Management 118
C4.1 Conceptual Data Model 119
C5 Implementation & Evaluation of a Pilot Project 122
C5.1 The Research Project CODIFeY 122
C5.2 Evaluation and Preliminary Findings 124
C6 Conclusions 126
Paper D – Entwicklung eines Analytics Framework für virtuelle Communities of Practice 127
D1 Einführung 128
D2 Grundlagen 130
D2.1 Communities of Practice 130
D2.2 Analytics 131
D2.3 Design eines Analytics Frameworks für Communities of Practice 132
D3 Demonstration und Evaluation im Projekt CODIFeY 136
D4 Fazit 138
Paper E – Teaching Data Driven Innovation – Facing a Challenge for Higher Education 139
E1 Introduction 140
E2 Foundations and Theoretical Underpinning 142
E2.1 Data Driven Innovation 142
E2.2 Teaching Data-Driven Innovation 142
E2.3 Pedagogical Approach 143
E3 Research Method 145
E3.1 General Morphological Analysis 145
E3.2 Data Collection and Empirical Analysis 146
E4 Design of the Morphological Box 148
E4.1 Teaching Method 148
E4.2 Course Setting 149
E4.3 Course Content 149
E4.4 Innovation Approach 150
E4.5 Morphological Box for Teaching Data Driven Innovation 151
E5 Teaching Cases 153
E5.1 Case A: Data Driven Value Generation for the Internet of Things 153
E5.2 Case B: Data Driven Innovation Project in the Field of E-mobility 154
E6 Conclusion 156
Paper F – Cross-Disciplinary Collaboration for Designing Data-Driven Products and Services 157
F1 Introduction 158
F2 Foundations and Theoretical Background 161
F2.1 Data Literacy as a Foundation for the Design of Data-Driven Product and Services 161
F2.2 Collaborative Processes and Knowledge Transfer 162
F2.3 Knowledge Boundaries 162
F2.4 Boundary Objects 163
F2.5 Boundary Objects for Collaboration Processes and Knowledge Integration 164
F3 Research Approach 166
F4 Design of the Data Vignette 169
F4.1 Thematic View 169
F4.2 Structural View 173
F5 Evaluation of the Artifact 178
F5.1 Artificial Evaluation Using the Guidelines of Modelling 178
F5.2 Application of the DV - A First Pilot 179
F6 Conclusion 182
Paper G – Towards the Development of a Typology of Big Data Analytics in Innovation Ecosystems 184
G1 Introduction 185
G2 Foundations 187
G2.1 The Role of Technology for Innovation Ecosystems 187
G2.2 Big Data Analytics in Innovation Ecosystems 188
G3 Research Approach 189
G4 Towards a Typology of Big Data Analytics in Innovation Ecosystems 190
G5 Further research 192
Paper H – Hackathons als Gestaltungswerkzeug für plattform-basierte digitale Ökosysteme 193
H1 Einleitung 194
H2 Grundlagen 196
H2.1 Plattform-basierte digitale Ökosysteme 196
H2.2 Hackathons als Gestaltungswerkzeug 197
H3 Forschungsmethode 199
H4 Hackathons für die Gestaltung plattform-basierter Ökosysteme 202
H4.1 Markt-orientierte Plattform-Hackathons 202
H4.2 Technologie-orientierte Plattform-Hackathons 204
H5 Fazit 206
Literaturverzeichnis xv
Anhang li
Anhang 1 liIn the digital age, the ability to innovate and the efficient adoption of digital technologies are crucial for companies to gain competitive advantages. The use of digital technologies for innovation promises not only productivity gains but also increases customer satisfaction and makes companies more agile and resilient to crises. The focus here is on the application of big data analytics, but there is currently still a considerable need for research to understand how big data analytics can be used systematically in innovation ecosystems. On the one hand, there is a lack of research on the strategic contributions of big data analytics to innovation, particularly in the context of the interaction of various actors. On the other hand, the focus of existing research often only addresses partial aspects of the application of big data analytics and neglects broader considerations from an ecosystem perspective. For practice, the primary hurdles often lie not in the technology itself but in its adaptation within the value-creating structures of companies.
This dissertation aims to close this gap and examines the systematic application of big data analytics in innovation ecosystems, using a design science research approach as the overarching research method. In the summary and in the individual papers of the cumulative dissertation project, design-oriented research is used to integrate theoretical insights directly into the practical design and development of solutions. As a result, the dissertation provides an overarching framework for the application of big data analytics in innovation ecosystems, integrating the insights gathered from the CODIFeY research project and the individual contributions. The dissertation on the developed framework and the IT artifacts of the individual contributions contributes to a better understanding of the strategic use of digital technologies to promote innovation and competitive advantages, which offers added value both scientifically and practically.:Danksagung i
Einzelbeiträge iii
Inhaltsverzeichnis iv
Abkürzungsverzeichnis x
Abbildungsverzeichnis xii
Tabellenverzeichnis xiv
Kurzzusammenfassung 1
Abstract 2
I. Dachbeitrag 3
1 Einleitung 3
1.1 Motivation 3
1.2 Problem- und Fragestellung 5
1.3 Zielstellung 8
1.4 Aufbau des Dachbeitrags 9
2 Forschungsansatz 11
2.1 Wissenschaftstheoretische Grundpositionierung 11
2.2 Forschungsmethode 12
2.2.1 Design Science Research als übergeordnetes Forschungsparadigma 12
2.2.2 Das Projekt Community-basierte Dienstleistungs-Innovation für e-Mobility 14
2.2.3 Aufbau des kumulativen Dissertationsvorhabens 17
3 Stand der Wissenschaft und Forschung 24
3.1 Big Data Analytics 24
3.2 Datengetriebene Innovation 25
3.3 Innovationsökosysteme aus der Perspektive der Service Dominant Logic 27
4 Gestaltung eines Ordnungsrahmens für die Anwendung von Big Data Analytics in Innovationsökosystemen 30
4.1 Das Modell eines Innovationsökosystems aus Sicht der Service Dominant Logic 30
4.2 Ableitung der Dimensionen des Ordnungsrahmens für die Anwendung von Big Data Analytics in Innovationsökosystemen 35
5 Eine Systematisierung von Anwendungsfällen von Big Data Analytics in Innovationsökosystemen 39
5.1 Big Data Analytics als Mittel für Innovation 39
5.2 Big Data Analytics als Ergebnis von Innovation 44
5.3 Demonstration & Evaluation des Ordnungsrahmens 50
6 Fazit 52
II. Research Papers of the Dissertation 55
Paper A – Capturing the Bigger Picture? Applying Text Analytics to Foster Open Innovation 55
A1 Introduction 57
A2 Background and Terminology 60
A2.1 Complexities of Sustainability-Oriented Innovation 60
A2.2 Open Innovation as an Instrument for Participation 62
A2.3 Sustainable-Oriented Innovation and Open Innovation 64
A2.4 Silent Stakeholders 67
A2.5 Research Focus: Text Analytics in Direct Search Methods for Sustainability-Oriented Innovation 69
A3 Action Research Study 72
A3.1 Description of the Action Research Cycle 72
A3.2 Diagnosing the Project Background 73
A3.3 Action Planning and Taking—Application of Text Analytics 77
A4 Results 82
A4.1 Findings from the Overall Discourse Analysis 82
A4.2 Findings from Zooming into Single Topics 84
A4.3 Applicability in the Innovation Process for the Label Development 85
A5 Discussion 87
A6 Implications and Conclusions 88
Paper B – What the Hack? – Towards a Taxonomy of Hackathons 92
B1 Introduction 93
B2 A Process-centric Perspective on Open Innovation and Hackathons 95
B3 Research Approach 97
B3.1 Taxonomy Development 97
B3.2 Literature Review 98
B4 A Taxonomy of Hackathons 101
B4.1 Overview of the Taxonomy 101
B4.2 Strategic Design Decisions 102
B4.3 Operational Design Decisions 104
B5 Discussion 107
B6 Conclusion 109
Paper C – Combining Open Innovation and Knowledge Management in Communities of Practice - An Analytics Driven Approach 110
C1 Introduction 111
C2 Foundations 113
C2.1 Knowledge Management and Innovation 113
C2.2 Communities of Practice 114
C2.3 Analytics domains 114
C3 Research Methodology 117
C4 Conceptual Framework for the Integration of Open Innovation and Knowledge Management 118
C4.1 Conceptual Data Model 119
C5 Implementation & Evaluation of a Pilot Project 122
C5.1 The Research Project CODIFeY 122
C5.2 Evaluation and Preliminary Findings 124
C6 Conclusions 126
Paper D – Entwicklung eines Analytics Framework für virtuelle Communities of Practice 127
D1 Einführung 128
D2 Grundlagen 130
D2.1 Communities of Practice 130
D2.2 Analytics 131
D2.3 Design eines Analytics Frameworks für Communities of Practice 132
D3 Demonstration und Evaluation im Projekt CODIFeY 136
D4 Fazit 138
Paper E – Teaching Data Driven Innovation – Facing a Challenge for Higher Education 139
E1 Introduction 140
E2 Foundations and Theoretical Underpinning 142
E2.1 Data Driven Innovation 142
E2.2 Teaching Data-Driven Innovation 142
E2.3 Pedagogical Approach 143
E3 Research Method 145
E3.1 General Morphological Analysis 145
E3.2 Data Collection and Empirical Analysis 146
E4 Design of the Morphological Box 148
E4.1 Teaching Method 148
E4.2 Course Setting 149
E4.3 Course Content 149
E4.4 Innovation Approach 150
E4.5 Morphological Box for Teaching Data Driven Innovation 151
E5 Teaching Cases 153
E5.1 Case A: Data Driven Value Generation for the Internet of Things 153
E5.2 Case B: Data Driven Innovation Project in the Field of E-mobility 154
E6 Conclusion 156
Paper F – Cross-Disciplinary Collaboration for Designing Data-Driven Products and Services 157
F1 Introduction 158
F2 Foundations and Theoretical Background 161
F2.1 Data Literacy as a Foundation for the Design of Data-Driven Product and Services 161
F2.2 Collaborative Processes and Knowledge Transfer 162
F2.3 Knowledge Boundaries 162
F2.4 Boundary Objects 163
F2.5 Boundary Objects for Collaboration Processes and Knowledge Integration 164
F3 Research Approach 166
F4 Design of the Data Vignette 169
F4.1 Thematic View 169
F4.2 Structural View 173
F5 Evaluation of the Artifact 178
F5.1 Artificial Evaluation Using the Guidelines of Modelling 178
F5.2 Application of the DV - A First Pilot 179
F6 Conclusion 182
Paper G – Towards the Development of a Typology of Big Data Analytics in Innovation Ecosystems 184
G1 Introduction 185
G2 Foundations 187
G2.1 The Role of Technology for Innovation Ecosystems 187
G2.2 Big Data Analytics in Innovation Ecosystems 188
G3 Research Approach 189
G4 Towards a Typology of Big Data Analytics in Innovation Ecosystems 190
G5 Further research 192
Paper H – Hackathons als Gestaltungswerkzeug für plattform-basierte digitale Ökosysteme 193
H1 Einleitung 194
H2 Grundlagen 196
H2.1 Plattform-basierte digitale Ökosysteme 196
H2.2 Hackathons als Gestaltungswerkzeug 197
H3 Forschungsmethode 199
H4 Hackathons für die Gestaltung plattform-basierter Ökosysteme 202
H4.1 Markt-orientierte Plattform-Hackathons 202
H4.2 Technologie-orientierte Plattform-Hackathons 204
H5 Fazit 206
Literaturverzeichnis xv
Anhang li
Anhang 1 l