Offenburg University of Applied Sciences
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Gasdynamik
No full textFür kompressible Strömungen werden die Erhaltungssätze für Masse, Impuls und Energie hergeleitet. Die Eigenschaften der Stoßgleichungen wie Rankine-Hugoniot-Relation und Rayleigh-Gerade werden betrachtet. Zur Berechnung der Kräfte auf umströmte Körper werden die Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte ermittelt. Auf der Basis der Stromfadentheorie wird die Auslegung von Lavaldüsen behandelt. Das physikalische Verhalten linearer Unter- und Überschallströmungen und transsonischer Profilumströmungen wird analysiert
Can footwear satisfaction be predicted from mechanical properties?
No full textResearch is often conducted to investigate footwear mechanical properties and their effects on running biomechanics, but little is known about their influence on runner satisfaction, or how well the shoe is perceived. A tool to predict runner satisfaction in a shoe from its mechanical properties would be advantageous for footwear companies. Data in this study were from a database (n = 615 subject-shoe pairings) of satisfaction ratings (gathered after participants ran on a treadmill), and mechanical testing data for 87 unique subjects across 61 unique shoes. Random forest and elastic net logistic regression models were built to test if footwear mechanical properties and subject characteristics could predict runner satisfaction in 3 ways: degree-of-satisfaction on a 7-point Likert scale, overall satisfaction on a 3-point Likert scale, and willingness-to-purchase the shoe (yes/no response). Data were divided into training and validation sets, using an 80–20 split, to build the models and test their accuracy, respectively. Model accuracies were compared against the no-information rate (i.e. proportion of data belonging to the largest class). The models were not able to predict degree-of-satisfaction or overall satisfaction from footwear mechanical properties but could predict runner’s willingness to purchase with 68–75% accuracy. Midsole Gmax at the heel and forefoot appeared in the top five of variable importance rankings across both willingness-to-purchase models, suggesting its role as a major factor in purchase decisions. The negative regression coefficient for both heel and forefoot Gmax indicated that softer midsoles increase the likelihood of a shoe purchase. Future models to predict satisfaction may improve accuracy with the addition of more subject-specific parameters, such as running goals or foot proportions
Smarte Systeme in Rehabilitation und Prävention. Wie künstliche Intelligenz und Gamification das Bewegungstraining individualisieren
No full textRehabilitationsmaßnahmen nach Unfällen oder Krankheiten sind oft langwierig und häufig mit Schmerzen sowie Frustration verbunden – und Ähnliches gilt für Präventionstraining. Die spielerische Anreicherung des Trainings (im Folgenden: Gamification) kann dieser Entwicklung durch die Steigerung des Spaßfaktors entgegenwirken. Im Gegensatz zu regulären Spielen kann es durch die höhere Motivation und Immersion im Training allerdings zu einer verminderten Schmerzwahrnehmung und damit einer Verschlechterung des Gesundheitszustands bis hin zu einer erneuten Verletzung kommen. Daher war es bislang erforderlich, solche Ansätze kontinuierlich therapeutisch zu begleiten. Für eine autonome Intervention, zur Entlastung von Therapeuten, aber auch im Heimbereich ist eine automatisierte Anpassung des Schwierigkeitsgrads des Bewegungstrainings und eine individualisierte Zielsetzung und -kontrolle von zentraler Bedeutung. Diese Herausforderung ist in bestehenden Ansätzen zu wenig adressiert bzw. beschrieben worden. Der Einsatz künstlicher Intelligenz kann hier einen entscheidenden Beitrag zu leisten – insbesondere hybride Ansätze, die expertenbasierte Entscheidungsbäume mit Verfahren des maschinellen Lernens kombinieren, könnten in der Zukunft einen wichtigen Beitrag zu einer erfolgreichen Rehabilitation und Prävention liefern
Microstructure-sensitive finite-element analysis of crack-tip opening displacement and crack closure for microstructural short fatigue cracks
No full textIn this paper, the effect of the polycrystalline microstructure on crack-tip opening displacement and crack closure is investigated for microstructural short plane strain fatigue cracks using the finite-element method. To this end, cracks are introduced in synthetically generated microstructures and the grain properties are described using a single crystal plasticity model with kinematic hardening. Additionally, finite-element calculations without resolved microstructure and von Mises plasticity with kinematic hardening are performed. Fully-reversed strain-controlled cyclic loadings are considered under large-scale yielding conditions as typical for low-cycle fatigue problems. The crack opening stress and the cyclic crack-tip opening displacement are significantly influenced by the local grain structure. While the stabilized crack opening stresses obtained with the microstructure-based finite-element model are in good accordance with the von Mises plasticity results, the differences in the cyclic crack opening displacement are addressed to the asymmetric plastic strain fields in the plastic wake behind the crack-tip of the microstructure-based model. The asymmetric plastic strain fields result in discontinuous and premature contact of the crack flanks
A novel guideline for the analysis of linear acceleration mechanics – outlining a conceptual framework of ‘shin roll’ motion
No full textLinear acceleration is a key performance determinant and major training component of many sports. Although extensive research about lower limb kinetics and kinematics is available, consistent definitions of distinctive key body positions, the underlying mechanisms and their related movement strategies are lacking. The aim of this ‘Method and Theoretical Perspective’ article is to introduce a conceptual framework which classifies the sagittal plane ‘shin roll’ motion during accelerated sprinting. By emphasising the importance of the shin segment’s orientation in space, four distinctive key positions are presented (‘shin block’, ‘touchdown’, ‘heel lock’ and ‘propulsion pose’), which are linked by a progressive ‘shin roll’ motion during swing-stance transition. The shin’s downward tilt is driven by three different movement strategies (‘shin alignment’, ‘horizontal ankle rocker’ and ‘shin drop’). The tilt’s optimal amount and timing will contribute to a mechanically efficient acceleration via timely staggered proximal-to-distal power output. Empirical data obtained from athletes of different performance levels and sporting backgrounds are required to verify the feasibility of this concept. The framework presented here should facilitate future biomechanical analyses and may enable coaches and practitioners to develop specific training programs and feedback strategies to provide athletes with a more efficient acceleration technique
The Mineralization of Various 3D-Printed PCL Composites
Get PDFIn this project, different calcification methods for collagen and collagen coatings were compared in terms of their applicability for 3D printing and production of collagen-coated scaffolds. For this purpose, scaffolds were printed from polycaprolactone PCL using the EnvisionTec 3D Bioplotter and then coated with collagen. Four different coating methods were then applied: hydroxyapatite (HA) powder directly in the collagen coating, incubation in 10× SBF, coating with alkaline phosphatase (ALP), and coating with poly-L-aspartic acid. The results were compared by ESEM, µCT, TEM, and EDX. HA directly in the collagen solution resulted in a pH change and thus an increase in viscosity, leading to clumping on the scaffolds. As a function of incubation time in 10× SBF as well as in ALP, HA layer thickness increased, while no coating on the collagen layer was apparently observed with poly-L-aspartic acid. Only ultrathin sections and TEM with SuperEDX detected nano crystalline HA in the collagen layer. Exclusively the incubation in poly-L-aspartic acid led to HA crystals within the collagen coating compared to all other methods where the HA layers formed in different forms only at the collagen layer
Induktive Übertragungsschnittstelle für medizinische Implantate mit metallischer Kapselung
No full textMetallische Gehäuse stellen eine große Herausforderung für die Schnittstelle von aktiven medizinischen Implantaten dar. Ihre elektrische Leitfähigkeit und die sich dadurch ergebenden Wirbelströme verhindern das Eindringen von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen und Feldern. Aus diesem Grund werden die Antennen außerhalb des Gehäuses platziert. Niederfrequentere magnetische Felder dringen jedoch durch das metallische Gehäuse, wenn auch abgeschwächt. Damit kann eine induktive Kommunikation realisiert und so elektrische Durchführungen durch das ansonsten hermetisch dichte Gehäuse vermieden werden.
In dieser Arbeit wird die induktive Datenübertragung durch ein metallisches Gehäuse untersucht. Ein Modell wird entwickelt, das die Effekte des metallischen Gehäuses auf die Übertragung berücksichtigt. Hierzu werden in einem neuen Ansatz anhand von FEM Simulationen Korrekturfaktoren ermittelt. Diese Korrekturfaktoren können visualisiert und direkt auf die Auslegung der Antennenspulen angewendet werden. Im Gegensatz zu anderen Modellierungen werden nur frei zugängliche Software-Lösungen verwendet. Zudem werden die Feldverteilungen durch die im metallischen Gehäuse entstehenden Wirbelströme untersucht. Die unterschiedlichen Gehäuse- und Spulenparameter werden im Hinblick auf deren Einfluss auf das Übertragungsverhalten diskutiert, was in dieser Form bisher noch nicht veröffentlicht wurde. Das resultierende Modell kann auf unterschiedliche Ausführungen der metallischen Kapselung angepasst werden um damit die Grenzen und Einschränkungen unterschiedlicher metallischer Gehäuse-Materialien zu untersuchen.
Mit der Weiterentwicklung eines Transceivers, der mit 10 kBit/s bei 125 kHz Trägerfrequenz arbeitet, wird ein Übertragungsbaustein entwickelt, der mit herkömmlichen Mikrocontrollern verwendet werden kann. Der Transceiver wird in einem ASIC mit 32 Pin QFN-Gehäuse implementiert. Anschließend werden die Funktionalität überprüft und die elektrischen Eigenschaften im Hinblick auf Temperatur-, Spannungs- und Frequenz-Verhalten charakterisiert. Durch die geringe Stromaufnahme und die hohe Datenrate bei niedriger Trägerfrequenz eignet sich dieser Transceiver für Langzeitanwendungen in medizinischen Implantaten. Das Neue an dem Transceiver ist seine Einsatzfähigkeit für metallische Gehäuse, die wegen der schmalen Bandbreite mit \approx\unit[4]{kHz} eine effiziente Datenübertragung trotz hoher Dämpfung ermöglicht und darüber hinaus die frequenzabhängige Verzerrung der Impedanz- und Übertragungsparameter minimiert.
Anhand einer konkreten Anwendung für eine implantierbare steuerbare Infusionspumpe werden die gesamte Elektronik des Implantats sowie eines kleinen und ein großen Bediengerätes konzipiert, entwickelt, programmiert und erfolgreich in Betrieb genommen. Darin werden sowohl das induktive Übertragungsmodell als auch der Transceiver verwendet und somit deren Funktionalität und Einsatzfähigkeit demonstriert. Mithilfe dieser Entwicklung ist es möglich, über einen Abstand von 65 mm, die Dosierung eines Medikaments einzustellen und an den Tagesrhythmus der Patient*innen anzupassen sowie die Funktionalität des Implantats zu überprüfen. Aktuell gibt es auf dem Markt ein weiteres ähnliches Produkt, zu dem jedoch keine wissenschaftlichen Veröffentlichungen vorliegen. Diese Arbeit liefert damit einen wissenschaftlichen Beitrag für die Entwicklung langlebiger metallisch gekapselter Implantate mit induktiver Schnittstelle.Metallic housings pose a huge challenge for interfaces of active medical implantable devices. Their electrical conductivity and thereby resulting eddy currents prevent high frequency electromagnetic waves and fields to penetrate the housing. For that reason the antennas are placed outside of the housings. However low frequency magnetic fields can enter the metallic housing, even though they are attenuated. This enables the realization of inductive communication interfaces without electrical lead-throughs of the otherwise hermetically sealed housings.
This work investigates an inductive communication interface through metallic housings. A model is developed, which includes the effects of metallic housings for transmission. Therefore FEM simulations are executed and correction factors determined. These correction factors can be visualized and directly applied for the dimensioning of the antenna coils. In contrast to other modeling methods only open source software solutions are used. Furthermore the magnetic field distributions from the eddy currents of the housings are examined. The different housing- and coil-parameters are evaluated in regard to their influence on the transmission, which has not yet been published in this form. The principles of this modeling can be applied to various implementations of metallic encapsulations, which enable the analysis of the limitations of different metallic housing materials.
With the further development of a transceiver, which works with 10 kBit/s at a carrier frequency of 125 kHz, a transmission component is developed, that can be used in combination with conventional microcontrollers. The transceiver is cast into an ASIC with a 32 pin QFN housing. Subsequently the functionality is tested and the electrical properties are characterized in terms of temperature-, supply-voltage- and frequency-behavior. Because of the minimal current drain and the high data rate at a low carrier frequency, it is suitable for long term applications in medical implants. The outstanding of this transceiver is its utilizability for metallic housings, which is provided by efficient data transmission due to narrow bandwidth of \approx\unit[4]{kHz}, despite of the high attenuation, and by minimized frequency dependent distortion of the impedance- and transmission-parameters.
On the basis of a specific application in an implantable infusion pump, the entire electronics of the implant, but also of a small and a big external controlling device are drafted, developed, programmed and put into operation. Therein both the model of the inductive interface and also the transceiver are used and thereby demonstrate their functionality and capability. This development makes it possible to adjust the medication dosage to the diurnal rhythm of the patient and to remotely inspect the functionality of the implant over the distance of up to 65 mm. Currently there is another similar product on the market, for which no scientific publications are available. This work therefore provides a scientific contribution for the development of long-living metallically encapsulated implants with inductive interfaces