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Gegensätzliche Hypothesen zur Duricrustbildung durch Grundwasserspiegelschwankungen oder Laterisation: Beiträge aus numerischen Model Simulationen und den Vergleich mit Geochronologischen Daten
No full textDuricrusts are hard mineral layers that form in environments with contrasting climates, ranging from tropical to arid regions. These formations are observed worldwide, including in Europe, Africa, South America, India, and Australia. They typically cap hills, protect landscapes and provide a protective layer over the softer material beneath.
In Chapter 1, we present the two main hypotheses that have been proposed for the formation of duricrusts, (1) the hydrological or transport hypothesis where the enrichment in the hardening element (iron for ferricretes, silica for silcretes or calcium carbonates for calcretes) is the product of leaching and precipitation through fluctuations of the water table during contrasted seasonal cycles, and (2) the laterisation or in-situ hypothesis, which proposes that duricrusts form as the final compaction stage of weathering profiles, driven by leaching and reprecipitation within the regolith profile.
In Chapters 2 and 3, we present the first numerical geomorphological models for the formation of duricrusts based on the two hypotheses. They are an extension to an existing regolith formation model, to which we introduce hardening as a dimensionless factor κ that multiplies the surface transport coefficient. Hardening causes a decrease in surface erodability which is a key characteristic of duricrusts. We demonstrate that by using model parameter values obtained by independent constraints from field observations, hydrology, climate and geochronology, model predictions reproduce the observed conditions for duricrust formation. We also implement the computation of regolith and duricrust ages to compare the evolution of duricrusts with empirical data.
In Chapter 2, we show that the position of the water table is used to predict the formation of a duricrust at a rate set by a characteristic time scale τ and over a depth set by the range of fluctuations of the water table, λ. Using the model we show under which circumstances duricrusts form by introducing two dimensionless numbers, Rt and W, that combine the model parameters (λ and τ ) as well as parameters representing external forcing like precipitation rate and uplift rate. We show that there exists a strong reciprocal feedback from duricrust formation on the shape of the regolith and the position of the water table. We demonstrate that although duricrusts protect elements of the landscape, their efficiency in doing so is significantly lower than their inherent strength.
In Chapter 3, we show that pedogenic processes such as laterisation are used to predict the formation of a duricrust at a rate set by a characteristic secondary weathering time scale τl and compaction time scale τc. Using the model we show under which circumstances duricrusts form by introducing a dimensionless threshold, Ω > Ωmin that combines the model parameters (τl and τc) as well as parameters representing external forcing, i.e. precipitation rate, uplift rate and the surface transport coefficient. We show, according to literature, that laterisation processes can be most efficient in different areas of a weathering profile, with a more realistic depiction when laterisation happens above the water table. We also show that environments where pedogenic duricrusts form will never attain a topographic steady state.
In Chapter 4, we compare the two models, highlighting significant differences in duricrust formation and evolution under varying tectonic and climatic conditions. These differences enable differentiation between the models based on factors such as uplift, precipitation, duricrust and hill geometry, and computed model ages.
To illustrate these findings, Chapter 5 presents a case study in the Guiana Shield, at Kaw Mountain, where we simulate scenarios based on both the transport and the in-situ hypotheses. We demonstrate that both models can describe duricrust formation at Kaw Mountain. However, the in-situ model better aligns with observed duricrust-forming conditions and geochronological data from the region. We thus confirm the possibility to simulate duricrust formation under real-world conditions, and determine which model best aligns with local observations.Duricrusten sind harte Mineralschichten, die sich in Umgebungen mit kontrastreichen Klimabedingungen bilden, die von tropischen bis zu ariden Regionen reichen. Diese Formationen sind weltweit zu beobachten, unter anderem in Europa, Afrika, Südamerika, Indien und Australien. Sie bedecken typischerweise Hügel und schützen dabei Landschaften sowie darunter liegenden weicheren Schichten.
In Kapitel 1 sind die zwei Haupthypothesen für die Entstehung von Duricrusten beschrieben: (1) die Hydrologische oder Transport-Hypothese, welche besagt, dass die Anreicherung des härtenden Elements (wie Eisen bei Ferricreten, Siliziumdioxid bei Silcreten oder Calziumkarbonat bei Calcreten) durch Auswaschung und Ausfällung infolge von Grundwasserspiegel-Schwankungen in kontrastreichen Jahreszeiten erfolgt; und (2) die Laterisations- oder In-situ-Hypothese, die vorschlägt, dass Duricrusten als Endstadium der Kompaktion von Verwitterungsprofilen entstehen, die durch Auswaschung und Wiederausfällung innerhalb des Regolithprofils gesteuert wird.
In den Kapiteln 2 und 3 stellen wir die ersten numerischen geomorphologischen Modelle zur Bildung von Duricrusten auf Basis der beiden Hypothesen vor. Diese Modelle sind eine Erweiterung eines bestehenden Modells zur Regolithbildung, indem wir die Verhärtung als dimensionslosen Faktor κ einführen, der den Oberflächentransportkoeffizienten multipliziert. Diese Verhärtung führt zu einer Verringerung der Oberflächenerodierbarkeit, was ein charakteristisches Merkmal von Duricrusten ist. Wir zeigen, dass Modellvorhersagen die beobachteten Bedingungen für die Duricrustbildung reproduzieren, indem wir Modellparameter verwenden, die aus unabhängigen Feldbeobachtungen, hydrologischen Daten, Klimainformationen und geochronologischen Analysen abgeleitet wurden. Zudem berechnen wir Regolith- und Durcrustenalter, um die Entwicklung der Duricrusten mit empirischen Daten zu vergleichen.
In Kapitel 2 zeigen wir, dass die Position des Grundwasserspiegels zur Vorhersage der Bildung einer Duricrust verwendet wird, deren Bildungsrate durch eine charakteristische Zeitskala τ und deren Tiefe durch die Schwankungsbreite des Grundwasserspiegels λ bestimmt wird. Mithilfe des Modells zeigen wir, unter welchen Umständen Duricrusten entstehen, indem wir zwei dimensionslose Zahlen, Rt und W , einführen, die die Modellparameter (λ und τ ) sowie Parameter für externe Einflüsse, wie z.B. Niederschlags- und Erhebungsrate, kombinieren. Wir zeigen, dass es ein starkes gegenseitiges Feedback zwischen der Bildung von Duricrusten, der Geometrie des Regoliths und der Position des Grundwasserspiegels gibt. Obwohl Duricrusten bestimmte Landschaftselemente schützen, ist ihre Schutzwirkung in der Regel deutlich geringer als ihre eigentliche strukturelle Stärke vermuten lässt.
In Kapitel 3 zeigen wir, dass Verwitterungsprozesse with Laterisation zur Vorhersage der Duricrustbildung verwendet werden, deren Rate durch eine charakteristische sekundäre Verwitterungszeitskala τl und eine Kompaktionszeitskala τc bestimmt wird. Wir führen eine dimensionslose Schwelle Ω > Ωmin ein, die sowohl die Modellparameter (τl und τc) als auch externe Einflussfaktoren wie Niederschlagsrate, Erhebungsrate und Oberflächentransportkoeffizient kombiniert. Entsprechend der Literatur sind Laterisationsprozesse in verschiedenen Bereichen eines Verwitterungsprofils unterschiedlich effizient, wobei eine realistischere Darstellung entsteht, wenn die Laterisation oberhalb des Grundwasserspiegels stattfindet. Außerdem zeigen wir, dass Umgebungen, in denen pedogene Duricrusten entstehen, niemals einen topografischen Gleichgewichtszustand erreichen können.
In Kapitel 4 vergleichen wir die beiden Modelle und heben signifikante Unterschiede in der Bildung und Entwicklung von Duricrusten unter unterschiedlichen tektonischen und klimatischen Bedingungen hervor. Diese Unterschiede ermöglichen eine Differenzierung der Modelle basierend auf Faktoren wie Erhebung, Niederschlag, Geometrie der Duricrusten und Hügel sowie berechneten Modellaltern.
Zur Veranschaulichung dieser Ergebnisse wird in Kapitel 5 eine Fallstudie am Kaw Berg im Guiana-Schild präsentiert, wo wir Szenarien basierend auf beiden Hypothesen, der Transport- und der In-situ-Hypothese, simulieren. Wir zeigen, dass beide Modelle die Bildung von Duricrusten am Kaw Berg beschreiben können. Allerdings stimmt das In-situ-Modell mit den beobachteten Bedingungen für die Duricrustbildung und geochronologischen Daten aus der Region besser überein. Damit bestätigen wir, dass es möglich ist, die Bildung von Duricrusten unter realen Bedingungen zu simulieren und das Modell zu identifizieren, das am besten mit den lokalen Beobachtungen übereinstimmt
3D Bildanalyse und Modellierung der mikroskopischen Mineralisierungsmuster in einem sich bildenden menschlichen Osteon
No full textBones are essential structures in the human body that constantly renew themselves through a process known as bone remodeling. In this process, old or damaged bone is broken down and replaced with new, healthy bone. Two types of cells are mainly involved in this process: osteoclasts, which remove old bone, and osteoblasts, which create new bone by producing a soft organic material called osteoid. Over a few days, this osteoid is stiffened through mineralization, the process of incorporation of tiny mineral particles. Some of the osteoblasts remain embedded in the osteoid differentiating into another cell type, the osteocytes.
Our study focused on a specific structure in bone called the osteon, a small cylindrical unit. In osteons, newly formed by remodeling, mineralization proceeds from the outer to inner layers, forming a macroscopic mineralization front that separates already mineralized bone from the unmineralized matrix. Within osteons, a network of tiny channels (canaliculi) and cavities (lacunae), hosts the osteocytes, which are believed to play a fundamental role in bone mineralization. We aimed to understand how these canaliculi affect the mineralization process. Based on previous observations, we hypothesized that canaliculi serve as transport pathways for both mineral precursors and inhibitors, playing a crucial role in mineralization.
We analyzed three-dimensional electron microscopy images of forming osteons to describe quantitatively how mineralization proceeds around the canaliculi. Our results showed that mineralization starts far away from the canaliculus and then it moves towards it, forming a microscopic mineralization front that moves towards the canaliculus as mineralization proceeds. We observed that this microscopic mineralization front is present around each canaliculus, giving the macroscopic mineralization front a notched appearance.
To better interpret these observations, we developed a mathematical model to simulate how mineral precursors and inhibitors diffuse from the canaliculus into the bone, and how the precursors could mineralize creating different mineralization dynamics. Two species diffusing from the canaliculus are enough to create complex dynamics. With our model, we could specify under which conditions mineralization starts away from the canaliculus and moves towards the canaliculus, matching what we observe in the microscopy images.
In the future, it will be possible to enhance our model to better reflect the complexity of bone mineralization. For example, we could explore how minerals move through a more realistic medium, or the model could be modified to simulate more canaliculi simultaneously.Knochen sind wesentliche Strukturen im menschlichen Körper, die sich ständig durch einen Prozess erneuern, der als Knochenumbau bekannt ist. In diesem Prozess wird alter oder beschädigter Knochen abgebaut und durch neuen, gesunden Knochen ersetzt. Zwei Hauptzelltypen sind daran beteiligt: Osteoklasten, die alten Knochen abbauen, und Osteoblasten, die neuen Knochen bilden, indem sie ein weiches organisches Material namens Osteoid produzieren. Über einige Tage wird dieses Osteoid durch Mineralisierung, den Prozess der Aufnahme winziger Mineralpartikel, verhärtet. Einige der Osteoblasten bleiben im Osteoid eingebettet und differenzieren sich zu einem anderen Zelltyp, den Osteozyten.
Unsere Studie konzentrierte sich auf eine spezifische Struktur im Knochen, das Osteon, eine kleine zylindrische Einheit. In Osteonen, die neu durch Umbau gebildet werden, schreitet die Mineralisierung von den äußeren zu den inneren Schichten voran und bildet eine makroskopische Mineralisierungsfront, die den bereits mineralisierten Knochen vom unmineralisierten Matrix trennt. Innerhalb der Osteonen beherbergt ein Netzwerk von kleinen Kanälen (Kanalikuli) und Hohlräumen (Lacunae) die Osteozyten, von denen angenommen wird, dass sie eine grundlegende Rolle bei der Knochenmineralisierung spielen. Wir wollten verstehen, wie diese Kanalikuli den Mineralisierungsprozess beeinflussen. Basierend auf vorherigen Beobachtungen haben wir die Hypothese aufgestellt, dass Kanalikuli als Transportwege für sowohl Mineralvorstufen als auch Inhibitoren dienen und eine entscheidende Rolle bei der Mineralisierung spielen.
Wir haben dreidimensionale Elektronenmikroskopie-Bilder von sich bildenden Osteonen analysiert, um qualitativ zu beschreiben, wie die Mineralisierung um die Kanalikuli herum voranschreitet. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die Mineralisierung weit entfernt vom Kanalikulus beginnt und sich dann in Richtung des Kanalikulus bewegt, wodurch eine mikroskopische Mineralisierungsfront entsteht, die sich in Richtung des Kanalikulus bewegt, während die Mineralisierung fortschreitet. Wir beobachteten, dass diese mikroskopische Mineralisierungsfront um jeden Kanalikulus herum vorhanden ist und der makroskopischen Mineralisierungsfront ein gezacktes Aussehen verleiht.
Um diese Beobachtungen besser zu interpretieren, haben wir ein mathematisches Modell entwickelt, um zu simulieren, wie Mineralvorstufen und Inhibitoren vom Kanalikulus in den Knochen diffundieren und wie die Vorstufen mineralisieren, wodurch unterschiedliche Mineralisierungsdynamiken entstehen. Zwei Arten von Diffusionsprozessen vom Kanalikulus sind ausreichend, um komplexe Dynamiken zu erzeugen. Mit unserem Modell konnten wir spezifizieren, unter welchen Bedingungen die Mineralisierung weit entfernt vom Kanalikulus beginnt und sich nach innen bewegt, was mit dem übereinstimmt, was wir in unseren 3D-Bildern gesehen haben.
In Zukunft wird es möglich sein, unser Modell zu verbessern, um die Komplexität der Knochenmineralisierung besser abzubilden. Zum Beispiel könnten wir untersuchen, wie Mineralien durch ein realistischeres Medium bewegen, oder das Modell könnte geändert werden, um mehrere Kanalikuli gleichzeitig zu simulieren
Verbindung von Melanocortin-3-Rezeptor (MC3R) -Neuronen und ihre Rolle bei stressbedingten Reaktionen
No full textStress is a common trigger for inappropriate eating behaviors within modern society and it could lead to a disrupted energy homeostasis. Our focus has been on the role of melanocortin-3 receptor (MC3R) neurons and their role in regulating energy balance. Recent studies showed that MC3R knockout mice develop anxiety like behavior, and exhibit more dominant effects upon different stressors. The MC3R has been shown to have a robust expression in the paraventricular nucleus of the thalamus (PVT). However, how the MC3R neurons in the PVT are exerting effects on food intake and behavior is still poorly understood. One potential candidate region playing a role in this response is the central amygdala (CeA), as one major efferent target of PVT.
Here we hypothesize that the MC3R neurons send projections from the PVT to the amygdala, and this neuronal projection is involved in regulating feeding behavior under stress conditions. To test the hypothesis, this project consists of two aspects: a neuroanatomical study and whole animal behavioral tests.
We first checked innervation of the MC3R neurons to amygdala using a genetically modified mouse model and retrograde viral tracing. Through these methods, we identified the PVT to be the main nucleus of input into the CeA.
We studied the role of MC3R modulation in feeding behavior under stress using a chemogenetic mouse model both in the whole body and specifically in the PVT MC3R neurons using a virus-mediated expression. A nutritional stress (16 hour overnight fasting) and a social stress (an adapted social defeat test) were applied in this model.
From the fasting experiment, we determined that activation of MC3R cells during fasting can consequentially change feeding behavior. From the social defeat test, we observed that activation of whole body MC3R cells protected the animals from stress-induced body weight loss by inducing more food intake. Assessment of the neuronal activity marker c-Fos, demonstrates a sex difference with females showing a more profound pattern of neuronal activation in response to chemogenetic-mediated activation of MC3R cells. However, PVT-MC3R modulations did not exhibit this phenotype.
In conclusion, we confirmed a connection between PVT and amygdala. Furthermore, MC3R cells were involved in mediating feeding behavior under stress exposure. However, PVT-MC3R neurons alone could not affect feeding and the role of the PVT-CeA connection remain as an open area of research.Stress ist ein häufiger Auslöser für unangepasstes Essverhalten und könnte zu einer gestörten Energiehomöostase führen. Wir haben uns auf die Rolle der Melanocortin-3-Rezeptor (MC3R) -Neuronen und ihre Rolle bei der Kontrolle des Energieausgleichs konzentriert. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass MC3R-Knockout-Mäuse ein angstähnliches Verhalten entwickeln und deutlich prägnantere Auswirkungen auf verschiedene Stressoren zeigen. Es hat sich gezeigt, dass der MC3R im paraventrikulären Nukleus des Thalamus (PVT) eine starke Expression aufweist. Wie sich die MC3R-Neuronen im PVT auf die Nahrungsaufnahme und das Verhalten auswirken, ist jedoch noch unzureichend beschrieben. Ein potenzieller Kandidat, der bei dieser Reaktion eine Rolle spielt, ist die zentrale Amygdala (CeA), die ein wichtiges efferentes Ziel des PVT ist.
Hier stellen wir die Hypothese auf, dass die MC3R-Neuronen Projektionen vom PVT zur Amygdala senden, und dass diese neuronale Projektion an der Regulierung des Nahrungsaufnahmeverhaltens unter Stressbedingungen beteiligt ist. Um diese Hypothese zu überprüfen, besteht dieses Projekt aus zwei Aspekten: einer neuroanatomischen Studie und Verhaltenstests.
Zunächst überprüften wir die Innervation der MC3R-Neuronen in der Amygdala mithilfe eines genetisch veränderten Mausmodells und retrograder viral gesteuerter Nachverfolgung von Neuronen. Durch diese Methoden konnten wir den PVT als Hauptkern für den Input in die CeA identifizieren.
Wir untersuchten die Rolle der MC3R-Modulation beim Nahrungsaufnahmeverhalten unter Stress mithilfe eines chemogenetischen Mausmodells, bei dem eine Aktivierung und Hemmung der MC3R-Neuronen im gesamten Organismus durch die Verabreichung einer exogenen Substanz möglich war. In diesem Modell wurden ein Ernährungsstress (16-stündiges Fasten über Nacht) und ein sozialer Stress (ein adaptierter Social Defeat Test) angewandt. Darüber hinaus modulierten wir im selben Mausmodell virusvermittelt ausschließlich PVT-spezifische MC3R-Neuronen und führten die genannten Stresstests durch.
Infolge des Ernährungsstresses stellten wir fest, dass die Aktivierung von MC3R-Neuronen während des Fastens zu einer Veränderung des anschließenden Nahrungsaufnahmeverhaltens führen kann. Infolge des sozialen Stresses stellten wir fest, dass die Aktivierung von MC3R-Neuronen im ganzen Körper die Tiere vor stressbedingtem Gewichtsverlust schützte, indem sie eine höhere Nahrungsaufnahme bewirkte. Die Bewertung des neuronalen Aktivitätsmarkers c-Fos zeigt einen Unterschied zwischen den Geschlechtern, wobei Weibchen als Reaktion auf die chemogenetisch vermittelte Aktivierung von MC3R-Neuronen ein tiefgreifenderes Muster der neuronalen Aktivierung zeigen. Bei PVT-MC3R-Modulationen war dieser Phänotyp jedoch nicht zu beobachten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir eine Verbindung zwischen PVT und Amygdala bestätigt haben. Darüber hinaus waren MC3R-Zellen an der Vermittlung des Fressverhaltens unter Stresseinwirkung beteiligt. PVT-MC3R-Neuronen allein konnten jedoch die Fütterung nicht beeinflussen, und die Rolle der PVT-CeA-Verbindung blieb unklar
Tetrahalidometallates as building blocks for ionic materials for the application in optics and electrochemistry
No full textDie vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit Tetrahalidometallat-basierten ionischen Materialien und ionischen Flüssigkeiten. Beide Themen sind stark miteinander verbunden und bilden Forschungsgebiete, welche sich zunehmenden Interesses erfreuen. Im Rahmen der Arbeit wurden hierbei 31 Verbindungen basierend auf Tetrahalidometallaten verschiedener 3d-Übergangsmetalle synthetisiert, darunter 16 Chlorid-haltige und 15 Bromid-haltige metallhaltige ionische Flüssigkeiten (MILs).
Die Verbindungen wurden anschließend strukturtechnisch durch Analysen an Einkristallen (RKSA) und am Bulkmaterial (IR, pXRD, ICP-OES, XPS, EXAFS) charakterisiert. Ein Vergleich der Verbindungen zeigt hier, dass die strukturellen Eigenschaften der MILs stark durch die Oxidationsstufe des 3d-Übergangsmetalls als Zentralteilchen des Anions beeinflusst wurden. Eine Veränderung der Liganden am Zentralteilchen des Anions in Form eines Halogenidaustausches führte hauptsächlich zu Veränderungen in den Zelldimensionen und den intermolekularen Wechselwirkungen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Cl-MILs kettenähnlichen Strukturen bilden, während sich bei den Br-MILs tendenziell eher Dimer-artige Anordnungen finden lassen.
Nachfolgend erfolgte eine Analyse des thermischen Verhaltens der Verbindungen. Alle Verbindungen waren dabei thermisch stabil bis 250°C und wiesen in den meisten Fällen Schmelzpunkte zwischen 60 und 100°C auf.
Des Weiteren wurden die Verbindungen hinlänglich ihrer elektrochemischen Eigenschaften bezüglich ihrer elektrochemischen Stabilität (CV) und ihrer Leitfähigkeit (EIS) untersucht. Hier wurde gezeigt, dass die Br-MILs tendenziell elektrochemisch stabiler sind und eine geringe Leitfähigkeitsspanne zwischen den Br-MILs mit einen einheitlicheren Leitfähigkeitsanstieg bei steigenden Temperaturen besitzen. Die Cl-MILs zeigen hingegen eine größere Abweichung der Leitfähigkeiten innerhalb ihrer Gruppe mit teilweise höheren Werten, vermutlich jedoch als Resultat von elektrochemischen Zersetzungsprozessen und den daraus resultierenden Nebenprodukten.
Zuletzt wurden auf der Grundlage der Analyse der Eigenschaften mehrere Verbindungen für Prototypanwenden in den Bereichen optische Gassensoren, lumineszente Hybridmaterialien und Redoxflussbatterien erfolgreich angewendet.The following dissertation deals with tetrahalidometallat-based ionic materials and ionic liquids (ILs). Both topics are strongly connected with each other and represent research topics with growing interest due to their application potential.
In total 31 compounds based on tetrahalidometallates using different 3d transition metals were synthesized as part of this work, including 16 chloride-based and 15 bromide-based metal-containing ionic liquids (MILs).
The structures of the MILs were then analyzed using single crystals (SC-XRD) as well as the bulk material (IR, pXRD, ICP-OES, XPS, EXAFS). A comparison of the compounds shows that the structural properties of the MILs are strongly influenced by the oxidation state of the transition metal used as the central atom of the anion. A ligand substitution of the halides at the central atom mainly resulted in a change of the cell dimensions and the intermolecular interactions. Additionally it was shown that the Cl-MILs form chain-like structures, while the Br-MILs form dimer-like arrangements.
Moreover, the thermal behavior of the MILs was studied using DSC and TGA. All compounds are thermally stable up to 250°C and show melting points between ca. 60 and 100°C.
Furthermore, this work also explored the electrochemical properties of the MILs focusing on their electrochemical stability (CV) and conductivities (EIS). The results show that the Br-MILs tend to be more electrochemically stable with a uniform conductivity increase at higher temperatures, alongside a smaller conductivity difference between the individual Br-MILs. The Cl-MILs on the other side show a higher conductivity difference within their group and overall the highest conductivities for all analyzed compounds. This, however, is likely the consequence of electrochemical degradation and side products, which strongly influence the conductivity.
Lastly, based on the previous studies several MILs were chosen and analyzed for multiple applications. This dissertation shows the successful use of these materials as optical gas sensors, luminescent hybrid materials and electrolytes for redox-flowbatteries
Zwischen Revolution und Rekonstitution
No full textDas auf mehrere Bände angelegte Werk arbeitet systematisch die Geschichte von fast 1.400 Kameradschaften des NSDStB und ihrer Altherrenschaften im NS-Altherrenbund an den Hochschulen und Höheren Fachschulen mzwischen 1937 bis 1945 auf. Dabei stellt das Phänomen der vielerorts auftretenden Rückbesinnung auf die Prinzipien des Korporationsstudententums trotz Bemühens der Reichsstudentenführung um ideologische Gleichschaltung und Instrumentalisierung für Kriegszwecke eine in ihrem Ausmaß bislang völlig unterschätzte Entwicklung dar. Ein von der studierenden Kriegsgeneration zunehmend als aussichtslos erlebter Krieg, eine immer stärker als realitätsfern und verlogen empfundene Parteipropaganda sowie das offene Verlangen nach Akademischer Freiheit und persönlichen Freiräumen in selbstgewählten Gemeinschaften waren die Triebfedern für eine Rückkehr zu den tradierten korporativen Lebensformen bis hin zu Widerstandshandlungen Einzelner oder ganzer Kameradschaften. Dieser Beitrag nicht nur für den Neuanfang einer verfaßten Studentenschaft, sondern für den Wiederaufbau eines demokratischen Gemeinwesens nach 1945 wird hier sicht- und verstehbar
Untersuchung der phänotypischen Plastizität und genetischen Grundlagen der Thermotoleranz in der Gattung Capsella
No full textClimate change presents considerable challenges to plant survival, primarily through the increased frequency and intensity of abiotic stresses like heat stress, which threaten agricultural productivity. The Capsella genus, distributed across diverse geographic regions and climates, offers a promising model for studying heat stress phenotypic plasticity and the molecular mechanisms underlying heat stress responses. Among the species, C. rubella and C. species 1938 (un-identified accession) demonstrate more heat stress resistance compared to C. orientalis, C. bursa-pastoris, and C. grandiflora. Within the outcrossing C. grandiflora, different lines display varying levels of thermotolerance, suggesting that genetic variation influences heat stress adaptation. Notably, C. rubella shows greater plasticity in its thermotolerant phenotype, while C. orientalis is more heat sensitive and exhibits a less plastic response. To explore the genetic basis of these differences, C. rubella was crossed with C. orientalis, and QTL mapping identified four key genomic regions of interest that co-segregate with the heat stress resistant phenotype. Although no single region showed isolated co-segregation with the phenotype, multiple regions acted in concert, suggesting that heat resistance is a polygenic trait. This indicates that C. rubella's genetic makeup contributes to its thermotolerance. Furthermore, transcriptional analysis, which included the highly heat-tolerant C. sp. 1938, revealed common biological processes and molecular functions upregulated in response to heat stress, such as protein folding, response to stress, response to heat, and heat acclimation. These processes involve key genes like heat shock proteins and heat shock factors. However, the more heat resistant C. rubella and C. sp. 1938 showed a more robust upregulation of these gene ontology groups compared to the heat-sensitive C. orientalis under the severe heat stress treatment.
This research enhances our understanding of plant adaptation to abiotic stress by identifying critical genetic loci and transcriptional responses that could inspire further research in the heat stress diversity between the Capsella species and develop future breeding strategies aimed at improving plant resilience to climate change.Der Klimawandel stellt erhebliche Herausforderungen für das Überleben von Pflanzen dar, vor allem durch die zunehmende Häufigkeit und Intensität abiotischer Stressfaktoren wie Hitzestress, die die landwirtschaftliche Produktivität bedrohen. Die Gattung Capsella, die in verschiedenen geografischen Regionen und Klimazonen verbreitet ist, bietet ein vielversprechendes Modell zur Untersuchung der phänotypischen Plastizität bei Hitzestress und der molekularen Mechanismen, die den Reaktionen auf Hitzestress zugrunde liegen. Unter den Arten zeigen C. rubella und Capsella species 1938 eine höhere Hitzestressresistenz im Vergleich zu C. orientalis, C. bursa-pastoris und C. grandiflora. Innerhalb der Fremdbestäuberart C. grandiflora zeigen verschiedene Familien unterschiedliche Grade der Thermotoleranz, was darauf hindeutet, dass genetische Variationen die Anpassung an Hitzestress beeinflussen. Bemerkenswert ist, dass C. rubella eine größere Plastizität in ihrem thermotoleranten Phänotyp aufweist, während C. orientalis hitzeempfindlicher ist und eine weniger plastische Reaktion zeigt. Um die genetische Grundlage dieser Unterschiede zu erforschen, wurde C. rubella mit C. orientalis gekreuzt, und eine QTL-Kartierung identifizierte vier wichtige genomische Regionen von Interesse, die mit dem hitzestressresistenten Phänotyp co-segregierten. Obwohl keine einzelne Region isoliert mit dem Phänotyp co-segregierte, wirkten mehrere Regionen zusammen, was darauf hindeutet, dass Hitzebeständigkeit ein polygenes Merkmal ist. Dies deutet darauf hin, dass die genetischen Merkmale von C. rubella zu ihrer Thermotoleranz beitragen. Weitere Transkriptionsanalysen, einschließlich der hoch hitzeresistenten C. sp. 1938, zeigten gemeinsame biologische Prozesse und molekulare Funktionen, die als Reaktion auf Hitzestress hochreguliert wurden, wie etwa Protein-Faltung, Stressreaktion, Reaktion auf Hitze und Hitzeakklimatisierung. Diese Prozesse umfassen Schlüsselgene wie Hitzeschockproteine und Hitzeschockfaktoren. Die hitzebeständigeren Arten C. rubella und C. sp. 1938 zeigen allerdings eine stärkere Hochregulierung dieser Genontologie-Gruppen, im Vergleich zur hitzeempfindlichen C. orientalis, unter extremer Hitzestressbehandlung.
Ziel dieser Forschung ist es,unser Verständnis der Anpassung von Pflanzen an abiotischen Stress zu erweitern, indem sie entscheidende genetische Loci und transkriptionale Reaktionen identifiziert, die weitere Untersuchungen zur Hitzestressdiversität zwischen den Capsella-Arten anregen. Dies Erkenntnisse könnten bei zukünftige Zuchtstrategien zur Verbesserung der Pflanzenresistenz gegen den Klimawandel beitragen
Die terrestrische Plastisphäre
No full textPlastic is everywhere. Its ubiquity in soils, air and waters has emerged as a persistent environmental issue - impacting ecosystems worldwide. While early studies on plastic pollution primarily focused on marine environments, research has only recently shifted its attention to terrestrial environments, where exposure to plastic pollution is now thought to significantly exceed that of marine environments. As of 2024, in the midst of global change, it has become evident that our soils have become major sinks for plastic debris. In soil, microbial communities secure soil nutrient cycling and the presence of plastic debris may alter those processes by influencing both activity, composition and metabolism of the environmental soil microbiome.
Given this state of the art in soil microbial ecology, my thesis revolves around the question “how does plastic debris in soil affect the microbial soil community?” In my thesis chapters, I focused on three research questions in particular: 1) Is plastic debris in soil a distinct microbial habitat? 2) What are the molecular mechanisms behind plastic colonization and possible degradation? 3) Does plastic debris enrich specific microbial taxa (and genes) capable of plastic biodegradation? To answer these questions, I characterized microbial communities in two highly polluted soil ecosystems and compared them to plastic-free soils using 16S rRNA amplicon sequencing. I assessed the plastic-colonizing potential of microorganisms from these sites by examining their adhesion to UV-weathered polyethylene (PE) with FESEM and SEM analysis. Additionally, I conducted an incubation experiment to analyse gene expression profiles of microbial biofilm communities attached to soil-buried PE using metagenomic mRNA analysis. I also isolated bacterial strains from plastic debris as potential candidates for PE degradation.
My findings indicate that plastic debris in soil creates a unique microbial habitat with reduced species diversity compared to less polluted soils. This distinctiveness is marked by the prevalence of plastic-degrading microbial taxa from the rare biosphere in early-stage PE-attached biofilms. I detected genes with potential to degrade plastic compounds in isolated bacterial strains and both studied soil types, suggesting that PE-specific enzymes are present even in natural soil ecosystems. Furthermore, my results highlight the importance of Cyanobacteria and nitrogen-fixing microorganisms in plastic-polluted soils, securing crucial secondary functions alongside the advantages of plastic-degrading taxa.
Overall, my research elucidates the complex microbial dynamics in plastic-polluted soils, emphasizing the novel properties and challenges of this anthropogenic microhabitat. These findings enhance our understanding of the impacts of plastic debris on soil ecosystems and contribute to strategies for mitigating plastic pollution.Plastik ist allgegenwärtig. Die Verbreitung von Kunststoffpartikeln in Böden, Luft und Gewässern beeinflusst Ökosysteme und Organismen weltweit. Während sich frühe Studien zur Plastikverschmutzung hauptsächlich auf marine Systeme konzentrierten, wird im Jahr 2024 deutlich, dass unsere Böden mittlerweile Senken für Kunststoffe verschiedenster Art und Herkunft darstellen.
Mikrobielle Gemeinschaften in Böden sind entscheidend für den Nährstoffkreislauf, und der Eintrag von Kunststoffpartikeln kann diese Prozesse verändern, indem sie die Aktivität, Zusammensetzung und den Stoffwechsel der Mikroorganismen im Boden beeinflusst. Vor diesem Hintergrund untersucht meine Dissertation die Frage: „Wie beeinflusst der zunehmende Eintrag von Kunststoffen in Böden die mikrobielle Bodengemeinschaft?“ Dabei konzentrierte ich mich auf drei zentrale Forschungsfragen: Erstens, schaffen Kunststoffpartikel im Boden einen eigenständigen mikrobiellen Lebensraum? Zweitens, welche molekularen Mechanismen stehen hinter der Kolonisierung und möglichen Zersetzung von Kunststoffen? Und drittens, reichern Kunststoffe im Boden spezifische mikrobielle Arten und Gene an, die in der Lage sind, Kunststoffe abzubauen?
Um diese Fragen zu beantworten, untersuchte ich die mikrobiellen Gemeinschaften in Böden mit hohem Kunststoffeintrag mittels 16S rRNA Amplicon-Sequenzierung und verglich diese mit weniger belasteten Böden aus derselben Regio. Meine Ergebnisse zeigen, dass die Anwesenheit von Plastik in Böden zu einer reduzierten mikrobiellen Artenvielfalt im Vergleich zu weniger belasteten Böden führt. Kunststoffe in Boden können somit als ein spezialisierter mikrobieller Lebensraum bezeichnet werden (terrestrische Plastisphäre). Des Weiteren untersuchte ich das Potenzial der Bodenmikroorganismen zur erfolgreichen Kolonisierung und dem Bewuchs von Kunststoffoberflächen im Laborversuch. Hierbei wurden PE-Folien sowohl in kunststoffreichen Böden, als auch in einem unbelasteten Waldboden über einen Zeitraum von 2,7,14 und 53 Tagen in geschlossenen Mikrokosmen inkubiert. Demnach wurde RNA aus dem anhaftenden Biofilm extrahiert und in Folge sequenziert (Metatranskriptom). Die Analyse dieser Metatranskriptom-daten zeigte eine zeitliche Aktivierung (Sukzession) spezifischer Enzyme die bei der Besiedlung von Plastikoberflächen in Böden eine wichtige Rolle spielen. Gene die für den Abbau von langkettigen Kohlenwasserstoffen bekannt sind (alkB/M), waren im Metatranskriptom des PE-Biofilms zu finden. Ebenso ließen sich diese Gene in dem aus kunststoffreichem Boden neu isolierten Bakterienstamm Nocardioides alcanivorans sp. Nov nachweisen.
Insgesamt verdeutlicht meine Forschung die komplexen mikrobiellen Dynamiken in plastikverschmutzten Böden (terrestrische Plastisphäre) und betont die neuartigen Eigenschaften und Herausforderungen dieses anthropogenen Mikrohabitats. Diese Erkenntnisse erweitern unser Verständnis für die Auswirkungen von Kunststoffeintrag in unsere Bodensysteme und tragen hoffentlich zur Entwicklung von Strategien zur Bekämpfung der Plastikverschmutzung bei
Korngrößendynamik in der Vorlandstratigraphie durch Modellierung
No full textThe grain size preserved within the stratigraphic record over thousands to millions of years has a wide breadth of relevance for deciphering past tectonic and climatic events within the continental sedimentary system and within applications for reservoir prediction, groundwater modelling and floodplain weathering. Here, we present a new model for grain size fining predictions that couples a landscape evolution model (with deposition and erosion components (Yuan et al. 2019)) with a self-similar model for gravel and sand (Fedele and Paola 2007).
The new model, that we called GravelScape, includes the e"ects on grain size fining of lateral heterogeneity in deposition rate caused by dynamically evolving channels. Through an initial validation, we show that when channel avulsions are prevented, by reducing the planform model to a single, downstream dimension, our new model can reproduce results from past methods (e.g. (Duller et al. 2010)) that assume that fining is controlled by subsidence only. However, deviations in predicted grain size occur when the e"ects of a multi-channel (internal or autogenic dynamics) planform model are considered.
The amplitude of these deviations seems to be proportional to the extent of sedimentary system bypass and the shape of the surface topography, which influence the magnitude of across-basin variation within the sedimentary system. Under low bypass and gentle slopes, grain size trends are primarily governed by subsidence, while high bypass and steep topography enhance autogenic influences. Simulating shorter transport lengths (e.g. decreasing orogen discharge, increasing basin area, or increasing transient sediment in the basin) tend to generate more autogenic related fining and variance within a basin.
We demonstrate how these dynamics of grain size fining can be mapped using a framework that links by-pass and surface geometry, with practical applications for foreland basin evolution illustrated using data from the Alberta Basin in Western Canada. As the by-pass ratio increases over time, as seen in foreland basins, there is a transition from subsidence to autogenicall dominated grain size fining.
We also test under which conditions Milankovitch scale precipitation perturbations are best captured within the continental alluvial fan system considering autogenic variability, perturbation strength, and preservation. We then apply a detailed misfit comparing the model to data in the Grapevine mountain fans of Death Valley, where both climate and autogenic fan responses have been observed.
Our research contributes to the interpretation of grain size trends in natural systems and their response to both autogenic and external forces. Prior to this dissertation, no landscape evolution model could e!ciently (within minutes) predict grain sizes preserved within the sedimentary record over large spatial and long temporal scales in response to climatic, tectonic, and internal forcing.Die Korngröße in Sedimenten, also die Größe von Partikeln wie Kies und Sand, die über Tausende bis Millionen von Jahren in den Erdschichten erhalten bleibt, kann Sedimentologen viel verraten. Sie hilft uns, Dinge wie Grundwasserbewegung, Erosion von Flussufern und die Bildung natürlicher Reservoirs zu verstehen. Veränderungen in der Korngröße können auch auf wichtige Ereignisse wie Klimaveränderungen, Meeresspiegelschwankungen oder tektonische Aktivitäten hinweisen.
In dieser Studie stellen wir ein neues Modell namens „GravelScape“ vor, das vorhersagt, wie sich die Korngröße im Laufe der Zeit verändert. Im Gegensatz zu viele früheren Modellen, die hauptsächlich von einem einfachen, eindimensionalen Fluss und einer gleichmäßigen Sedimentablagerung ausgingen, berücksichtigt GravelScape eine realistischere Darstellung von Flüssen, die sich über Landschaften ausbreiten, und wie sich mehrere Flusskanäle miteinander verhalten.
Unser Modell zeigt, dass bei geringem Sediment-Bypass (das heißt, wenn die meisten Sedimente abgelagert werden und nicht weiter flussabwärts transportiert werden) und einer relativ flachen Landschaft die Korngrößentrends hauptsächlich durch die Absenkung des Landes gesteuert werden. Wenn jedoch der Sediment-Bypass hoch ist (wie in Gebirgstälern oder Vorlandbecken) und die Hänge steil sind, spielen die natürlichen Dynamiken des Flusssystems eine größere Rolle bei der Formung der Korngrößenmuster.
Wir haben dieses Modell verwendet, um zu verstehen, wie sich Korngrößentrends in realen Umgebungen, wie dem Alberta-Becken in Kanada, entwickeln. Darüber hinaus haben wir untersucht, wie Klimaveränderungen auf kürzeren Zeitskalen, wie sie durch Milankovitch-Zyklen (die periodische Veränderungen in der Umlaufbahn der Erde umfassen) verursacht werden, in den Sedimentschichten erfasst werden. Durch den Vergleich der Vorhersagen unseres Modells mit tatsächlichen Korngrößendaten aus Gebieten wie den Grapevine Mountains im Death Valley können wir besser verstehen, wie Klima- und Landschaftsveränderungen ihre Spuren im geologischen Archiv hinterlassen.
Insgesamt trägt diese Forschung dazu bei, unser Verständnis dafür zu verbessern, wie Flusskorngrößentrends in natürlichen Systemen entstehen und wie sie sowohl auf interne Dynamiken als auch auf äußere Einflüsse reagieren
Optimierung von geometrischen Materialien
No full textThis thesis aims to investigate particular geometric materials with algebro-geometric constraints by combining physically meaningful geometric models with coarse discretizations and robust optimization routines. Ultimately, this makes the investigation of previously inaccessible, increasingly complex structures feasible. It is a promising endeavor to explore robust numerical optimization techniques in conjunction with geometric models since the main objective in many physical systems is the minimization of energy. Energies occur in various real-world scenarios, be it facet tension in soap film, intermolecular pair potentials, entropy, and the elastic energy occurring in a material's deformation. All these different types of energy are discussed in some form in this thesis.
With primary applications in civil engineering and architecture, framework materials are used to investigate both a structure's rigidity and flexibility. A large class of geometric constraint systems can be modeled by framework materials. These structures are given by embedded graphs with their edges equipped with physical distance constraints. Via the Euclidean distance between points, their deformations provide a compelling connection between materials science and algebraic geometry. When adding elastic elements carrying intrinsic energy to the framework, a tensegrity framework is created, paradoxically stabilizing an otherwise flexible structure.
This work considers two distinct applications of rigidity theory. Firstly, we generate random point processes in the square to experimentally verify asymptotic bounds for the local and global rigidity of the corresponding Gilbert frameworks. This leads to an enhanced understanding of what typically prevents a graph's unique realizability in the Euclidean plane. Secondly, the regular dodecahedron with edge length and coplanarity constraints is examined. This polytope is rigid and we can locally describe the deformation space induced by edge-contractions.
To study material deformations effectively, a reliable and robust method for traversing the configuration space is essential. For this reason, the metric projection onto the constraint set is considered, matching geodesics up to second order. By using homotopy continuation to solve the implicit closest point problem, we can prove theoretical convergence guarantees. This method relies on a predictor-corrector scheme based on Newton's method with adaptive step sizes. As such, it prevents the jumping between connected components. The retraction map is applied in Riemannian optimization routines after constructing appropriate step sizes and directions of descent. These algorithms provide an invaluable tool for the optimization over smooth constraint sets, which has led to successful applications in dynamical systems, robotics, and computer vision. Analyzing the algorithm's performance on multiple examples, Newton's method is more efficient than the predictor-corrector scheme. Still, the theoretical guarantees justify the computational overhead of the predictor step in many cases.
Lipid bilayers minimize surface tension, suggesting that they can be modeled as minimal surfaces using Riemannian geometry. These membranes occur in many organic settings. For ordered phases with crystalline symmetry, periodic bicontinuous minimal surfaces provide established models. Conversely, a minimal surface model for amorphous phases does not exist. To sample the space of minimal surfaces, we propose two models for generating disordered interfaces in combination with a topology-stabilized curvature optimization routine. We provide experimental evidence for why disordered surfaces can form by investigating two homogeneity measures on all generated surfaces. In addition, our work demonstrates the degree to which the curvature homogeneity of the cubic Gyroid surface is superior to its entropy-favored amorphous counterparts. It thereby contributes a general geometric result of relevance to bicontinuous structure formation in soft matter and biology across all lengthscales, relevant to both ordered and amorphous phases.
Triply periodic cylinder packings constitute another geometric system that we investigate in this thesis. Some of these packings exhibit a cooperative unwinding mechanism, reminiscent of auxeticity. This property describes an expansive lateral response upon stretching a material in a fixed direction, making such structures a prime target for the design of metamaterials with targeted functionality, such as impact protection and filtration. We create a robust geometric model based on tensegrity frameworks for the configuration space of two filaments in tight, orthogonal contact. The corresponding elastic elements are constructed by assuming that the incompressible cylinders want to minimize their length. It is used to compute the deformation paths of two particular cylinder packings via Riemannian optimization and homotopy-based path-tracking. As a result, we show that both structures are auxetic by multiple definitions.
Finally, we generalize the theory of weavings to surfaces. Constructing a robust model based on tensegrity frameworks to study weavings in curved space results in a nonlinear optimization problem. This tensegrity model is suitable for analyzing tangled weaves and complex contact geometries. Our model is most robust on surfaces where all points are geometrically identical. It accurately simulates the behavior of weavings on the sphere and the flat torus. In order to find the weave that energetically prefers the sphere the most, we deform the underlying surface into a spheroid. The energy landscape resulting from this deformation reveals that the more regular the weave, the more it prefers the sphere.Die vorliegende Dissertation hat das Ziel, bestimmte Materialien zu untersuchen, die algebro-geometrischen Nebenbedingungen genügen, indem physikalisch motivierte geometrische Modelle mit groben Diskretisierungen und robusten Optimierungsroutinen kombiniert werden. Dies ermöglicht die Betrachtung zuvor unzugänglicher, zunehmend komplexer Strukturen. Da viele physikalische Systeme als Hauptziel die Minimierung ihrer Energie haben, stellt die Kombination von robusten, numerischen Optimierungsmethoden und geometrischen Modellen einen vielversprechenden Ansatz dar. Energien treten in verschiedenen Szenarien auf, sei es als Oberflächenspannung in Seifenhäuten, intermolekulare Wechselwirkungen, Entropie oder als elastische Energie, die bei der Deformation eines Materials auftritt. Alle diese verschiedenen Energieformen werden in dieser Arbeit in der einen oder anderen Form behandelt.
Fachwerke sind eingebettete Graphen, deren Kanten mit physikalischen Abstandsbedingungen ausgestattet sind. Mit primären Anwendungen im Bauingenieurwesen und in der Architektur werden sie verwendet, um sowohl die Starrheit als auch die Flexibilität einer Struktur zu untersuchen. Eine große Klasse von geometrischen Systemen kann durch Fachwerke modelliert werden. Mittels des Euklidischen Abstand zwischen Knoten bieten ihre Deformierungen eine überzeugende Verbindung zwischen Materialwissenschaft und algebraischer Geometrie. Durch das Hinzufügen von elastischen Elementen, die intrinsische Energie tragen, entsteht ein Tensegrity-Fachwerk, welches paradoxerweise eine ansonsten flexible Struktur stabilisiert.
Diese Arbeit betrachtet zwei unterschiedliche Anwendungen der Starrheitstheorie. Erstens erzeugen wir zufällige Punktprozesse in einem Quadrat, um asymptotische Schranken für die lokale und globale Starrheit der entsprechenden Gilbert-Fachwerke experimentell zu überprüfen. Dies führt zu einem verbesserten Verständnis dafür, was typischerweise die eindeutige Realisierbarkeit eines Graphen in der Euklidischen Ebene verhindert. Zweitens werden konvexe Polytope mit Kantenlängen- und Koplanaritätsbedingungen untersucht. Wir zeigen dass der reguläre Dodekaeder starr ist und liefern eine lokale Beschreibung des zugehörigen, durch Kantenkontraktionen induzierten Deformationsraum.
Um Materialverformungen effektiv zu untersuchen, ist eine zuverlässige und robuste Methode zur Durchquerung des Konfigurationsraums unerlässlich. Aus diesem Grund wird die metrische Projektion auf die Nebenbedingungen betrachtet, welche Geodäten bis zur zweiten Ordnung annähert. Durch die Verwendung einer Homotopie-Fortsetzung zur Lösung des impliziten Problems des nächstgelegenen Punkts können wir theoretische Konvergenzgarantien nachweisen. Die Homotopy-Fortsetzung basiert auf einem Prädiktor-Korrektor-Verfahren, welches seinerseits auf dem Newtonverfahren mit adaptiven Schrittweiten fußt. Dadurch wird das Springen zwischen Zusammenhangskomponenten verhindert. Durch die Berechnung von geeigneten Schrittweiten kann die Retraktionsabbildung in Riemannschen Optimierungsalgorithmen angewendet werden. Diese Algorithmen sind ein nützliches Werkzeug für die Optimierung unter glatten Nebenbedingungen, was bereits zur erfolgreichen Anwendungen in dynamischen Systemen, Robotik und Computer Vision geführt hat. Bei der Leistungsanalyse des Algorithmus anhand von mehreren Beispielen ist das Newtonverfahren effizienter als das Prädiktor-Korrektor-Verfahren. Dennoch rechtfertigen theoretische Garantien in vielen Fällen den rechnerischen Mehraufwand des Prädiktorschritts.
Doppellipidschichten minimieren die Oberflächenspannung, was darauf hindeutet, dass sie als Minimalflächen mit Hilfe der Riemannschen Geometrie modelliert werden können. Diese Membranen kommen in vielen organischen Umgebungen vor. Für geordnete Phasen mit kristalliner Symmetrie bieten periodische bikontinuierliche Minimalflächen etablierte Modelle. Im Gegensatz dazu existiert ein Minimalflächenmodell für amorphe Phasen nicht. Wir schlagen in dieser Arbeit zwei Modelle zur Erzeugung ungeordneter Minimalflächen in Kombination mit einer topologiestabilisierten Krümmungsoptimierungsroutine vor. Experimentenn belegen wir, dass ungeordnete Flächen entstehen können, indem wir zwei Homogenitätsmaße auf allen erzeugten Flächen untersuchen. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, inwieweit die Krümmungshomogenität der kubischen Gyroid- und Diamantflächen ihren entropisch günstigeren amorphen Gegenstücken überlegen ist. Damit trägt sie zu einem allgemeinen geometrischen Verständnis sowohl für geordnete als auch für amorphe Phasen bei, was für die strukturelle Selbstassemblierung in weicher Materie und in organischen Systemen auf allen Längenskalen relevant ist.
Dreifach periodische Zylinderpackungen stellen ein weiteres geometrisches System dar, das in dieser Arbeit untersucht wird. Einige dieser Packungen zeigen einen kooperativen Mechanismus, der an auxetische Materialien erinnert. Diese Materialeigenschaft beschreibt eine expansive laterale Reaktion beim Dehnen eines Materials in eine feste Richtung. Damit sind solche Strukturen besonders für das Design von Metamaterialien mit gezielter Funktionalität geeignet, wie z.B. Aufprallschutz und Filtration. Hierzu erstellen wir ein robustes geometrisches Modell basierend auf Tensegrity-Fachwerken für den Konfigurationsraum von zwei Filamenten inorthogonalem Kontakt. Die entsprechenden elastischen Elemente werden konstruiert, indem angenommen wird, dass die unelastischen Zylinder ihre Länge minimieren wollen. Dieses Modell wird verwendet, um die Deformationen von zwei bestimmten Zylinderpackungen über Riemannsche Optimierung und ein homotopie-basiertes Prädiktor-Korrektor-Verfahren zu approximieren. Als Ergebnis zeigen wir, dass beide Strukturen nach mehreren Definitionen auxetisch sind.
Schließlich verallgemeinern wir die Theorie von Verflechtungen in der Ebene auf Flächen. Die Konstruktion eines robusten Modells basierend auf Tensegrity-Fachwerken zur Untersuchung von Verflechtungen im gekrümmten Raum führt zu einem nichtlinearen Optimierungsproblem. Dieses Tensegrity-Modell eignet sich zur Analyse von verwickelten Verflechtungen mit komplexen Kontaktgeometrien. Unser Modell ist auf der Sphäre und dem flachen Torus am robustesten, da dort alle Punkte geometrisch identisch sind. Um die Verflechtung zu finden, welche energetisch die Sphäre bevorzugen, deformieren wir die zugrunde liegende Fläche zu einem Sphäroid. Die dieser Deformation zugehörige Potentialhyperfläche zeigt, dass die Verflechtung die Sphäre umso mehr bevorzugt, je regelmäßiger sie ist
Entwicklung und Optimierung der menschlichen Aktivitätserkennung
No full textPhysical activity is important to our overall health. The analysis of movement can lead to enhanced physical well-being by informing injury prevention and guiding rehabilitation. Human Activity Recognition uses sensors to detect and classify these movements automatically, a practice gaining traction in healthcare. However, there are several challenges that reduce the classification performance of activity recognition methods, such as the quality of recorded data, the shortage of large datasets, and the absence of standardized workflows. This thesis proposes targeted solutions to address these challenges, with each contribution focusing on a distinct aspect of the problem:
(1) To enhance data quality and accurately distinguish between movements, our approach involves identifying optimal sensor placement. By converting camera images into two-dimensional human pose estimations, we identify potential sensor locations based on the derived pose data. The pose data are then input into a mathematical model, which produces a similarity score quantifying the distinction capabilities between movements based on the sensor's location. This methodology further facilitates the integration of pose estimation data with sensor data, supporting a multimodal classification approach. Evaluation across different datasets confirms that careful sensor positioning and data integration improves classification performance. (2) To overcome data scarcity and enhance data utility, this work introduces two novel data preparation techniques. First, sensor data is transformed into movement images suitable for computer vision applications. Second, synthetic data, generated using animations in a gaming engine, provides a cost-effective and scalable alternative to traditional data collection methods. Using benchmarks, we demonstrate that data augmentation and transfer learning boosts the classification outcome, especially with small datasets. (3) To standardize the workflow and foster user-engagement, a human-in-the-loop software framework using real-time feedback was developed. This framework informs users about the classification accuracy of their activities, allowing the recollection of data for specific activities as needed. Furthermore, a classification model can be trained on-device, enabling personalization. This process of user-driven data refinement and on-device model training adapts the system to individual patterns, as demonstrated on different datasets. In summary, this work proposes an integrated approach by unifying strategic sensor placement, advanced data augmentation techniques, and real-time feedback. The research contributes to advancing Human Activity Recognition technology, making it more accessible and applicable across various fields.Körperliche Aktivität ist wichtig für unsere Gesundheit. Die Bewegungsanalyse kann das körperliche Wohlbefinden durch Prävention und geeigneten Rehabilitationsmaßnahmen fördern. Die Aktivitätserkennung nutzt Sensoren, um diese Bewegungen automatisch zu erkennen. Es gibt jedoch mehrere Herausforderungen, die die Genauigkeit einer Unterscheidung reduzieren. Zu diesen gehören unter anderem die Qualität der aufgezeichneten Daten, der Mangel an großen Datensätzen und das Fehlen von standardisierten Arbeitsabläufen. Diese Arbeit begegnet Aspekten dieser Herausforderungen mit gezielten Lösungen: (1) Um die Datenqualität zu verbessern, werden optimale Sensorplatzierungen bestimmt. Hierzu werden Kamerabilder in zweidimensionale Schätzungen der menschlichen Pose umgewandelt und anschließend als potenzielle Sensorpositionen identifiziert. Mit einem mathematischen Modell wird anschließend ein Ähnlichkeitswert für verschiedene Körperstellen und Bewegungen berechnet. Diese Methodik begünstigt weiterhin einen multimodalen Klassifizierungsansatz durch die Integration von Pose-Schätzungsdaten mit Sensordaten. Die Evaluiering über verschiedenen Datensätzen bestätigt, dass eine durchdachte Sensorplatzierung und Datenintegration die Klassifizierungsleistung verbessern. (2) Um der Datenknappheit zu begegnen, führt diese Arbeit zwei neuartige Datenaufbereitungstechniken ein. Erstens werden Sensordaten in Bewegungsbilder umgewandelt, die für Bilderkennungstechniken geeignet sind. Zweitens bieten synthetische Daten, die mit Animationen in einer Spiel-Engine generiert werden, eine kosteneffiziente und skalierbare Alternative zu traditionellen Datenerhebungsmethoden. Die Experimente haben gezeigt, dass Datenanreicherung und Transferlernen das Klassifizierungsergebnis steigern, insbesondere bei kleinen Datensätzen. (3) Um den Arbeitsablauf zu standardisieren, wurde ein Software-Framework mit Echtzeiterkennung entwickelt. Dieses Framework informiert die Nutzer über die Genauigkeit ihrer Aktivitäten und ermöglicht somit eine erneute Datensammlung für bestimmte Aktivitäten. Darüber hinaus lässt sich auf dem Endgerät ein personalisiertes Klassifizierungsmodell trainieren. Dieser Prozess der benutzergesteuerten Datenverfeinerung und des On-Device-Modelltrainings passt das System an individuelle Muster an, wie an verschiedenen Datensätzen demonstriert. Zusammenfassend schlägt diese Arbeit einen integrierten Ansatz vor, indem strategische Sensorplatzierung, fortgeschrittene Datenaufbereitungstechniken und Echtzeiterkennung vereinheitlicht werden. Die Forschung trägt zur Weiterentwicklung der Aktivitätserkennung bei, macht sie zugänglicher und anwendbarer in verschiedenen Bereichen