Multimedia ONline ARchiv CHemnitz
Not a member yet
4978 research outputs found
Sort by
Surgical Instruments based on flexible micro-electronics
Get PDFThis dissertation explores strategies to create micro-scale tools with integrated electronic and mechanical functionalities. Recently developed approaches to control the shape of flexible micro-structures are employed to fabricate micro-electronic instruments that embed components for sensing and actuation, aiming to expand the toolkit of minimally invasive surgery. This thesis proposes two distinct types of devices that might expand the boundaries of modern surgical interventions and enable new bio-medical applications.
First, an electronically integrated micro-catheter is developed. Electronic components for sensing and actuation are embedded into the catheter wall through an alternative fabrication paradigm that takes advantage of a self-rolling polymeric thin-film system. With a diameter of only 0.1 mm, the catheter is capable of delivering fluids in a highly targeted fashion, comprises actuated opposing digits for the efficient manipulation of microscopic objects, and a magnetic sensor for navigation. Employing a specially conceived approach for position tracking, navigation with a high resolution below 0.1 mm is achieved. The fundamental functionalities and mechanical properties of this instrument are evaluated in artificial model environments and ex vivo tissues. The second development explores reshapeable micro-electronic devices. These systems integrate conductive polymer actuators and strain or magnetic sensors to adjust their shape through feedback-driven closed loop control and mechanically interact with their environment. Due to their inherent flexibility and integrated sensory capabilities, these devices are well suited to interface with and manipulate sensitive biological tissues, as demonstrated with an ex vivo nerve bundle, and may facilitate new interventions in neural surgery.:List of Abbreviations
1 Introduction
1.1 Motivation
1.2 Objectives and structure of this dissertation
2 Background
2.1 Tools for minimally invasive surgery
2.1.1 Catheters
2.1.2 Tools for robotic micro-surgery
2.1.3 Flexible electronics for smart surgical tools
2.2 Platforms for shapeable electronics
2.2.1 Shapeable polymer composites
2.2.2 Shapeable electronics
2.2.3 Soft actuators and manipulators
2.3 Sensors for position and shape feedback
2.3.1 Magnetic sensors for position and orientation measurements
2.3.2 Strain gauge sensors
3 Materials and Methods
3.1 Materials for shapeable electronics
3.1.1 Metal-organic sacrificial layer
3.1.2 Polyimide as reinforcing material
3.1.3 Swelling hydrogel for self assembly
3.1.4 Polypyrrole for flexible micro actuators
3.2 Device fabrication techniques
3.2.1 Photolithography
3.2.2 Electron beam deposition
3.2.3 Sputter deposition
3.2.4 Atomic layer deposition
3.2.5 Electro-polymerization of polypyrrole
3.3 Device characterization techniques
3.3.1 Kerr magnetometry
3.3.2 Electro-magnetic characterization of sensors
3.3.3 Electro-chemical analysis of polypyrrole
3.3.4 Preparation of model environments and materials
3.4 Sensor signal evaluation and processing
3.4.1 Signal processing
3.4.2 Cross correlation for phase analysis
3.4.3 PID feedback control
4 Electronically Integrated Self Assembled Micro Catheters
4.1 Design and Fabrication
4.1.1 Fabrication and self assembly
4.1.2 Features and design considerations
4.1.3 Electronic and fluidic connections
4.2 Integrated features and functionalities
4.2.1 Fluidic transport
4.2.2 Bending stability
4.2.3 Actuated micro manipulator
4.3 Magnetic position tracking
4.3.1 Integrated magnetic sensor
4.3.2 Position control with sensor feedback
4.3.3 Introduction of magnetic phase encoded tracking
4.3.4 Experimental realization
4.3.5 Simultaneous magnetic and ultrasound tracking
4.3.6 Discussion, limitations, and perspectives
5 Reshapeable Micro Electronic Devices
5.1 Design and fabrication
5.1.1 Estimation of optimal fabrication parameters
5.1.2 Device Fabrication
5.1.3 Control electronics and software
5.2 Performance of Actuators
5.2.1 Blocking force, speed, and durability
5.2.2 Curvature
5.3 Orientation control with magnetic sensors
5.3.1 Magnetic sensors on actuated device
5.3.2 Reference magnetic field
5.3.3 Feedback control
5.4 Shape control with integrated strain sensors
5.4.1 Strain gauge curvature sensors
5.4.2 Feedback control
5.4.3 Obstacle detection
5.5 Heterogenous integration with active electronics
5.5.1 Fabrication and properties of active matrices
5.5.2 Fabrication and operation of PPy actuators
5.5.3 Site selective actuation
6 Discussion and Outlook
6.1 Integrated self assembled catheters
6.1.1 Outlook
6.2 Reshapeable micro electronic devices
6.2.1 Outlook
7 Conclusion
Appendix
A1 Processing parameters for polymer stack layers
A2 Derivation of magnetic phase profile in 3D
Bibliography
List of Figures and Tables
Acknowledgements
Theses
List of Publication
A Design Space Exploration of Creative Concepts for Care Robots: Questioning the Differentiation of Social and Physical Assistance
Get PDFIn an interdisciplinary project, creative concepts for care robotics were developed. To explore the design space that these open up, we discussed them along the common differentiation of physical (effective) and social-emotional assistance. Trying to rate concepts on these dimensions frequently raised questions regarding the relation between the social-emotional and the physical, and highlighted gaps and a lack of conceptual clarity. We here present our design concepts, report on our discussion, and summarize our insights; in particular we suggest that the social and the physical dimension of care technologies should always be thought of and designed as interrelated
Numerical Methods for Stochastic Control Problems with Applications in Financial Mathematics
No full textThis thesis considers classical methods to solve stochastic control problems and valuation problems from financial mathematics numerically.
To this end, (linear) partial differential equations (PDEs) in non-divergence form or the optimality conditions known as the (nonlinear) Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) equations are solved by means of finite differences, volumes and elements.
We consider all of these three approaches in detail after a thorough introduction to stochastic control problems and discuss various solution terms including classical solutions, strong solutions, weak solutions and viscosity solutions.
A particular role in this thesis play degenerate problems.
Here, a new model for the optimal control of an energy storage facility is developed which extends the model introduced in [Chen, Forsyth (2007)].
This four-dimensional HJB equation is solved by the classical finite difference Kushner-Dupuis scheme [Kushner, Dupuis (2001)] and a semi-Lagrangian variant which are both discussed in detail.
Additionally, a convergence proof of the standard scheme in the setting of parabolic HJB equations is given.
Finite volume schemes are another classical method to solve partial differential equations numerically.
Sharing similarities to both finite difference and finite element schemes we develop a vertex-centered dual finite volume scheme.
We discuss convergence properties and apply the scheme to the solution of HJB equations, which has not been done in such a broad context, to the best of our knowledge.
Astonishingly, this is one of the first times the finite volume approach is systematically discussed for the solution of HJB equations.
Furthermore, we give many examples which show advantages and disadvantages of the approach.
Finally, we investigate novel tailored non-conforming finite element approximations of second-order PDEs in non-divergence form, utilizing finite-element Hessian recovery strategies to approximate second derivatives in the equation.
We study approximations with both continuous and discontinuous trial functions.
Of particular interest are a-priori and a-posteriori error estimates as well as adaptive finite element methods.
In numerical experiments our method is compared with other approaches known from the literature.
We discuss implementations of all three approaches in MATLAB (finite differences and volumes) and FEniCS (finite elements) publicly available in GitHub repositories under https://github.com/janblechschmidt.
Many numerical experiments show convergence properties as well as pros and cons of the respective approach.
Additionally, a new postprocessing procedure for policies obtained from numerical solutions of HJB equations is developed which improves the accuracy of control laws and their incurred values
Modeling of a Modular Discrete Event Simulation for Fuel Cell Assembly within a Factory Model
No full textNowadays, shorter product life cycles and fluctuating demand quantities require flexible and adaptable production planning techniques. Fuel cell technology offers an innovative product, for which future demands in terms of quantities and variety are difficult to predict making it hardly possible to plan demand-adequate production capacities. One feasible solution is the application of Discrete Event Simulations (DES) with a high degree of adaptability and scalability. In this paper, a concept for the modular simulation of assembly lines with scalable automation is introduced and applied to an assembly line for fuel cell stacks. The model presents a modular and hierarchical system structure, which allows for adaptability and reusability. The model can be easily integrated on a factory level to study the behavior of parallel assembly lines. For an industrial use case different experiments offer valuable insights for the optimization, the automation and the upscaling of the assembly.Kürzere Produktlebenszyklen und schwankende Bedarfsmengen erfordern heute flexible und anpassungsfähige Produktionsplanungstechniken. Die Brennstoffzellentechnologie bietet ein innovatives Produkt, dessen zukünftige Nachfrage hinsichtlich Stückzahl und Vielfalt nur schwer vorhersehbar ist und somit kaum bedarfsgerechte Produktionskapazitäten planbar sind. Eine mögliche Lösung ist die Anwendung von Discrete Event Simulations (DES) mit einem hohen Maß an Anpassungsfähigkeit und Skalierbarkeit. In diesem Beitrag wird ein Konzept zur modularen Simulation von Montagelinien mit skalierbarem Automatisierung vorgestellt und auf eine Montagelinie für Brennstoffzellenstacks angewendet. Das Modell nutzt eine modulare und hierarchische Systemstruktur, die Anpassungsfähigkeit und Wiederverwendbarkeit ermöglicht. Das Modell kann leicht auf Fabrikebene integriert werden, um das Verhalten paralleler Montagelinien zu untersuchen. Für einen industriellen Anwendungsfall bieten verschiedene Experimente wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung, Automatisierung und Hochskalierung der Montagelinie
Knowledge matters! - Exploring Drivers and Barriers in the Acceptance of FCEVs as a Sustainable Mobility Solution
Get PDFThe usage of “green” hydrogen as a sustainable alternative to empower vehicles is a promising option for the strongly required reduction of CO2-emissions in the transport sector. For the successful introduction of such new technology, user acceptance is known to be one crucial factor. The presented online survey (N = 207) investigated (1) potential barriers and drivers for the uptake of fuel cell electric vehicles (FCEVs) and (2) the effect of prior knowledge about FCEVs. Generally, respondents reported aspects connected to environmental friendliness to be main drivers and infrastructural factors (e.g., missing hydrogen stations) as main barriers connected with FCEVs independently from prior knowledge. Besides, results revealed considerable differences between participants with little vs. considerable prior knowledge implying a negative effect of less knowledge in terms of more skeptical assessments. Hence, measures enhancing knowledge about and experience with FCEVs might positively affect perceived barriers and drivers of FCEVs.Die Nutzung von „grünem“ Wasserstoff als eine nachhaltige Alternative des Antriebs von Fahrzeugen ist eine vielversprechende Möglichkeit für die dringend notwendige Reduktion von CO2-Emissionen im Transportsektor. Für den Erfolg der Einführung solch neuer Technologien ist die Nutzerakzeptanz von entscheidender Bedeutung. In diesem Zusammenhang untersuchte die vorliegende Onlinestudie (N = 207) (1) potentielle Barrieren und Motivatoren für die Akzeptanz von Brennstoffzellenfahrzeugen und (2) den Effekt von individuellem Vorwissen hinsichtlich Brennstoffzellenfahrzeugen. Unabhängig vom jeweiligen Vorwissen berichteten die Befragten Aspekte im Zusammenhang mit der Umweltfreundlichkeit der Fahrzeuge als Hauptmotivatoren und Faktoren hinsichtlich der Infrastruktur (z.B. fehlende Wasserstofftankstellen) als Hauptbarrieren. Daneben zeigten sich aber auch erhebliche Unterschiede zwischen Personen mit viel und wenig Vorwissen, die durch negativere Bewertungen von Personen mit wenig Vorwissen gekennzeichnet sind. Folglich können möglicherweise Maßnahmen, die den Erwerb von Wissen über und die Erfahrung mit Brennstoffzellenfahrzeugen unterstützen, wahrgenommene Barrieren und Motivatoren von Brennstoffzellenfahrzeugen positiv beeinflussen
Isocyanat-basierte Zwillingsmonomere zur Herstellung organisch-anorganischer Hybridmaterialien: Die Verbindung der Zwillingspolymerisation mit der Isocyanat- und Polyurethanchemie
No full textDie vorliegende Arbeit hat die Kombination von Zwillingspolymerisation mit der Isocyanat- und Polyurethanchemie zum Inhalt. Dadurch wird das Verständnis der Zwillingspolymerisation erweitert und neue Ansätze zur Herstellung organisch-anorganischer Hybridmaterialien erhalten. Das Reaktionsverhalten von aminofunktionellen Zwillingsmonomeren gegenüber freien Isocyanaten wird untersucht. Durch Reaktion von 2-(3-Amino-n-propyl)-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasilin mit unterschiedlichen Mono-, Diisocyanaten und isocyanatfunktionellen Prepolymeren sind Harnstoffderivate bzw. neuartige Prepolymere zugänglich, welche in der Lage sind zu polymerisieren. Die resultierenden Harnstoffe wurden charakterisiert und bezüglich ihrer Fähigkeit eine simultane Zwillingspolymerisation mit 2,2´-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] einzugehen untersucht. Ein Fokus lag auf der Untersuchung des Verhaltens der dargestellten Prepolymere. Diese wurden systematisch mit unterschiedlichen Polymerisationsparametern betrachtet. Eine Charakterisierung der Polymerisate erfolgte mittels Festkörper-NMR-Experimenten, Elektronenmikroskopie, TGA, sowie Extraktionsversuchen. Eine potenzielle Anwendungsmöglichkeit dieser Prepolymersysteme als Haftvermittler für Holz-Kunststoff-Verbundmaterialien wurde durch mechanische Zugscherversuche aufgezeigt.
Neben der Betrachtung von 2-(3-Amino-n-propyl)-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasilin-basierten Systemen wurde ein neuartiges aminofunktionelles Zwillingsmonomer, das Tris-furfuryloxy-3-aminopropylsilan erstmals dargestellt und charakterisiert. Eine Umsetzung mit Isocyanaten und isocyanatfunktionellen Prepolymer wurde analog zu den oben genannten Systemen durchgeführt. Mittels Röntgeneinkristallstrukturanalyse wurde die molekulare Struktur des entsprechenden Phenylisocyanat-Adduktes bestätigt. Die kationische Polymerisation der entsprechenden Harnstoffderivate führte zu neuartigen Hybridmaterialien, welche nach Extraktion mittels Festkörper-NMR-Experimenten charakterisiert wurden.:Inhalt
1. Einleitung und Zielsetzung 9
1.1 Einleitung und Motivation 9
1.2 Zielsetzung 10
2. Theoretische Grundlagen 12
2.1 Reaktionsverhalten der Isocyanate 12
2.1.1 Addition von H-aktiven Spezies 12
2.1.2 Allophanat- und Biuretbindungen 13
2.1.3 Dimerisierung und Trimerisierung 14
2.1.4 Thermische Stabilitäten, Reversibilität 15
2.1.5 Blockierung von Isocyanaten 17
2.2 Technisch relevante Vertreter für PU-Komponenten 19
2.2.1 Technisch verwendete Isocyanate 19
2.2.2 Alkohole 20
2.2.3 Prepolymere 21
2.2.4 Umriss einer Struktur- Eigenschaftsbeziehung von Polyurethanen 22
2.3. Modifizierung von Polyurethanen 23
2.3.1 PU Copolymere 23
2.4. Haftvermittler und Lacke auf PU-Basis 25
2.5.1. Mechanische Charakterisierung der Haftfestigkeit 26
2.5 Zwillingspolymerisation 27
2.5.1 Allgemein 27
2.5.2 Simultane Zwillingspolymerisation 28
3. Ergebnisse und Diskussion 30
3.1. Vorversuche zum Verhalten von Zwillingsmonomeren 30
3.1.1 Stabilität von Zwillingsmonomeren gegenüber freien Isocyanaten 30
3.1.2 Verhalten von Zwillingsmonomeren gegenüber substituierten Harnstoffen 33
3.1.3 Reaktion von aminofunktionellen Zwillingsmonomeren mit Monoisocyanat 34
3.1.4 Reaktion von 2-(3-Amino-n-propyl)-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasilin (APSI) mit Diisocyanaten 41
3.1.5 Erkenntnisse der Voruntersuchungen mit niedermolekularen Isocyanaten 46
3.1.6 Reaktion von 2-(3-Amino-n-propyl)-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasilin (APSI) mit isocyanathaltigen PU-Prepolymeren 47
3.2. Simultane Polymerisation von APSI-Isocyanat-Addukten mit Spiro 56
3.2.1. Simultane Polymerisation von APSI-p-fluoro-PI-Addukt mit Spiro 56
3.2.2 Polymerisation von APSI-IPDI-PolyTHF-Prepolymer 60
3.2.3 Simultane Polymerisation von APSI-Diisocyanat-Addukt mit Spiro 61
3.2.4 Polymerisation von Zwillingsprepolymeren 64
3.3 Aminofunktionelle Zwillingsmonomere zur Herstellung von neuartigen Polyfurfurylalkohol-Hybridmaterialien 85
3.3.1 Synthese von Tris-furfuryloxy-3-aminopropylsilan (TFAPSI) 85
3.3.2 Polymerisation von Tris-furfuryloxy-3-aminopropylsilan 85
3.3.3 Umsetzungen von Tris-furfuryloxy-3-aminopropylsilan mit Isocyanaten 87
3.3.4 Zwillingspolymerisation der Isocyanat-Addukte von 3-Aminopropyl-tris-furfuryloxysilan 90
4. Zusammenfassung und Ausblick 95
5. Experimenteller Teil 99
5.1 Chemikalien 99
5.2 Geräte 99
5.3 Synthesen 101
5.4 Polymerisationen 109
5.4.1 Polymerisation von APSI-basierten Monomeren 109
5.4.2 Polymerisation von TFAPSI-basierten Monomeren 110
6 Anhang 111
7 Literaturverzeichnis 126
Danksagung 131
Selbstständigkeitserklärung 132
Lebenslauf 133
Publikationen und Posterbeiträge 13
Vom Streben nach Objektivität bei der archivischen Bewertung
No full textEs gibt viele Fachbeiträge zur archivischen Bewertung. Das Gros von ihnen widmet sich dem Umgang mit konkreten Überlieferungen. Aber nur wenige versuchen sich an der Beantwortung grundlegender Fragen, wie z.B. „Kann man falsch bewerten?“. Die meisten werden sich mit der Antwort nicht schwertun und mit „ja“ antworten. Aber der Blickwinkel ändert sich, sobald wir fragen „Kann man richtig bewerten?“. Das mag auf den ersten Blick banal wirken, ist aber elementar, weil auf diese Weise das Grundproblem zutage tritt: Gibt es richtige und gibt es falsche Bewertungsentscheidungen? Gibt es eine unteilbare (archivische) Wahrheit? Oder ist am Ende gar alles subjektiv und damit immer richtig UND falsch? Eine Verständigung darüber ist mehr als ein philosophisches Geplänkel. Sie ist unerläßlich für eine produktive Diskurskultur. Der Schlüssel liegt in der Definition des Ziels.There are many technical papers on archival appraisal. Most of them are devoted to dealing with specific records. But only a few attempt to answer fundamental questions, such as 'Is it possible to appraise incorrectly?'. Most will not struggle with the answer and will answer 'yes.' But the perspective changes as soon as we ask 'Can you appraise right?'. This may seem banal at first glance, but it is elementary, because in this way the basic problem comes to light: Are there correct and are there incorrect evaluation decisions? Is there an indivisible (archival) truth? Or is everything subjective in the end and therefore always right AND wrong? An understanding about this is more than a philosophical skirmish. It is indispensable for a productive culture of discourse. The key lies in the definition of the goal
Die Sprache der Ingenieure. Sammlungskriterien für technische Zeichnungen und Pläne im Archiv des Deutschen Museums
No full textTechnische Zeichnungen und Pläne dokumentieren die Konstruktion und Entwicklung
technischer Gegenstände und Objekte. Sie erläutern Aufbau, Funktion und Zweck von Anlagen, Instrumenten und Maschinen. Sie sind die Sprache des Ingenieurs.
Die Plansammlung des Deutschen Museums zählt zu den Kernstücken und ältesten Beständen des Archivs. Ihr Aufbau begann mit der Museumsgründung 1903 als groß angelegtes Unternehmen, das eng mit der Gesamtkonzeption des Deutschen Museums verknüpft war.
Heute bietet der Bestand einen umfassenden und einzigartigen Fundus an technikhistorischem Quellenmaterial, das auch künftig gesammelt werden soll.
Vor dem Hintergrund der Geschichte und dem heutigen Bestand der Plansammlung werden in dem Vortrag Kriterien für das Sammeln und die Bewertung von technischen Zeichnungen und Plänen im Archiv des Deutschen Museums vorgestellt.Technical drawings and plans describe the construction and development of technical objects.
They explain the structure, function and purpose of plants, instruments and machines. They are the language of the engineer.
The plan collection of the Deutsches Museum is one of the most important and oldest holdings of the archive. Its acquisition began with the founding of the museum in 1903 as a large-scale initiative that was closely linked to the general concept of the Deutsches Museum. Today, the holding offers a comprehensive and unique fund of source material on the history of technology, which will continue to be collected in the future. In the context of the history and composition of the plan collection, the presentation discusses criteria for collection and appraisal of technical drawings and plans in the Archives of Deutsches Museum
DRadEsel - Instrumente zur Untersuchung sicherheitskritischer Situationen Radfahrender
Get PDFDas Ziel des Forschungsprojektes 'DRadEsel – Beleuchtung der Dunkelziffer sicherheitskritischer Ereignisse zwischen Radfahrenden, Radfahrenden und PKW, Fußgängern sowie ÖPNV: Eine repräsentative stationäre Beobachtungsstudie an urbanen Verkehrsknotenpunkten mit Interviews in Deutschland' ist es, eine möglichst repräsentative Aussage über die Häufigkeit von sicherheitskritischen Ereignissen Radfahrender zu machen. Dazu wurden Instrumente zur Beobachtung sicherheitskritischer Situationen, Radverkehrszählung und Befragung Radfahrender entwickelt, im Rahmen einer Machbarkeitsstudie evaluiert und in überarbeiteter Form zur Beleuchtung der Dunkelziffer sicherheitskritischer Situationen an ausgewählten Knotenpunkten in Deutschland eingesetzt. Dieses Instrumentarium besteht aus einem Beobachtungsbogen, einem Radverkehrszählungsbogen und eine Interviewleitfaden und wird ergänzt durch Schulungsmaterialien zur korrekten Anwendung der Bögen im Feld. Die Weiternutzung der entwickelten Erhebungsinstrumente in anderen Forschungsprojekten zur Anwendung auf weitere Verkehrssituationen, Städte und Kontextfaktoren ist ausdrücklich erwünscht, um gemeinsam und einheitlich mehr Licht in das Dunkelfeld sicherheitskritischer Ereignisse von Radfahrenden zu bringen.:1) DRadEsel – Schulungsmaterial Beobachtung sicherheitskritischer Situationen & Radverkehrszählung
2) DRadEsel – Beobachtungsbogen
3) DRadEsel – Radverkehrszählungsbogen
4) DRadEsel – Schulungsmaterial Interviews
5) DRadEsel – Interviewleitfade
DRadEsel – Radverkehrszählungsbogen
No full textDer vorliegende Radverkehrszählungsbogen kann begleitend zur standardisierten Beobachtung sicherheitskritischer Situation von Radfahrenden eingesetzt werden, um die Grundgesamtheit von Radfahrenden im beobachteten Bereich zu bestimmen. Zur korrekten Anwendung des Radverkehrszählungsbogens im Feld wird empfohlen, das zugehörige Schulungsmaterial vorbereitend zu nutzen