Dissertationen

Die Kopplung zwischen Fortbewegung und Atmung (Locomotion-Respiration-Coupling LRC) basiert bei Säugetieren nach den gängigen Modellvorstellungen sowohl auf mechanischen als auch neuromuskulären Bindungen zwischen beiden Prozessen. Zur artübergreifenden Analyse dieser Interaktionen fehlt es bisher an einfach anpassbaren, modularen Systemen. Damit fehlt es an belastbaren Messdaten zur Beantwortung der Fragen, wie Fortbewegungszyklen zum Atemfluss beitragen oder wie die Atemmuskelkontraktionen die Fortbewegung beeinflussen. Die meisten der bisherigen artspezifischen Studien konzentrierten sich auf LRC während des Laufens, aber einige analysierten auch andere Aktivitäten wie Radfahren, Fliegen (Vögel) oder Tauchen. In dieser Arbeit wurde basierend auf einem modularen Multisensor-Funksystem eine neuartige Methode entwickelt, die es ermöglicht, die Interaktion zwischen Fortbewegung und Atmung bei Säugetieren zu analysieren. Das entwickelte System besteht aus vier Komponenten für die LRC-Analyse: (1) einer Thoraxbinnendruckmessung basierend auf einem implantierbaren Gerät, (2) ein Volumenstrommodul zur Messung des lokomotorisch getriebenen Luftvolumens (LDV - Locomotor driven air volume) während des Atemzyklus, (3) ein Schrittidentifikationsmodul zur Berechnung des LRC-Verhältnisses (Schritt/Atem) und (4) ein Muskelaktivitätsmodul zur Analyse des Verhaltens des Atemmuskels während der Kopplung. Diese Module sind freizügig kombinierbar. Die drahtlose Kommunikation erlaubt es, Untersuchungen im Freifeld durchzuführen, wobei sich das Tier (oder der Mensch) im Gegensatz zu früheren Studien, in denen sich das Subjekt mit einer konstanten Geschwindigkeit auf einem Laufband bewegt, frei mit einer selbstgewählten Laufgeschwindigkeit bewegen kann. Diese Möglichkeit könnte das Stressniveau von Tieren während der Experimente signifikant reduzieren, die Analyseergebnisse liegen absehbar näher am "natürlichen" Laufverhalten (unrestrained) als jene von Laufbandstudien (restrained). Als experimenteller Test des Systems wurde die Methode am Menschen angewendet. Das Respiratory Flow Module (RFM) wurde basierend auf einer „ergonomischen Maske“ und einem Strömungssensor entwickelt. Das Respiratory Muscles Module (RMM) nutzte vier Oberflächen-Elektromyographie-Sensoren (sEMG) an der Bauch- und Brustmuskulatur. Am Knöchel jedes Beines befanden sich zwei Beschleunigungssensoren, um den Fuß-Boden-Kontakt zu erkennen. Fünfzehn Teilnehmer wurden bei einem Sprint-Lauftest in einem Sportzentrum (50 m x 30 m) der Technischen Universität Ilmenau beobachtet. Die erhaltenen Ergebnisse bestätigten ein variables LRC-Verhältnis von 2:1, 3:1, 4:1 wie in früheren Studien gezeigt wurde, zeigte jedoch zusätzlich im Falle des LDV die Nutzung der annähernd maximal möglichen Amplitude (Vitalkapazität) auf. Das Experiment belegt, dass die neue Methode zur Untersuchung von Säugetieren verwendet werden kann.

Verdichterräder in Abgasturboladern werden nach Stand der Technik aus der hochwarmfesten Aluminiumknetlegierung EN AW 2618A hergestellt. Bei Motoren mit Niederdruck-Abgasrückführung müssen diese aus Gründen des Verschleiß- und Korrosionsschutzes zusätzlich beschichtet werden. Die verwendeten Nickel-Phosphor-Schichten haben jedoch einen erheblichen Einfluss auf die dynamische Belastbarkeit. Ziel dieser Dissertation ist es daher, zum einen die Belastungen des Verdichterrades in geeigneten Versuchen nachzustellen und zum anderen eine vergleichbare Datenbasis für verschiedene Verdichterradgrundwerkstoffe und -beschichtungen zu erstellen. Die Belastungen des Verdichterrades werden hierbei in Zugschwellversuchen, verschiedenen Korrosionsversuchen, mittels Kavitation und einer thermischen Alterung nachgestellt. Als untersuchte Grundwerkstoffe werden der aktuell verwendete Werkstoff EN AW 2618A und eine alternative Knetlegierung AA 2055 betrachtet. Als mögliche Beschichtungen werden Nickel-Phosphor-Schichten und plasmachemische Aluminiumoxidschichten untersucht. Im Vergleich der beiden Grundwerkstoffe zeigt sich dabei, dass der alternative Werkstoff in Bezug auf die dynamische Belastbarkeit und die Verschleißbeständigkeit dem aktuell verwendeten Werkstoff deutlich überlegen ist. Die Korrosions- und Alterungsbeständigkeit ist jedoch geringer. Bei den beiden Beschichtungsvarianten zeigen sich die Nickel-Phosphor-Schichten in Bezug auf die Verschleiß- und die Korrosionsbeständigkeit als beste Variante. Die Lebensdauer der Schichten ist jedoch verglichen mit den plasmachemischen Aluminiumoxid-schichten geringer. Durch eine geeignete Anpassung der Nickel-Phosphor-Schichten kann die Lebensdauer jedoch auf ein den plasmachemischen Aluminiumoxidschichten deutlich überlegenes Niveau angehoben werden.

Seit dem Aufkommen der ersten digitalen Verarbeitungseinheiten hat die Bedeutung der digitalen Signalverarbeitung stetig zugenommen. Heutzutage findet die meiste Signalverarbeitung im digitalen Bereich statt, was erfordert, dass analoge Signale zuerst abgetastet und digitalisiert werden, bevor relevante Daten daraus extrahiert werden können. Jahrzehntelang hat die herkömmliche äquidistante Abtastung, die durch das Nyquist-Abtasttheorem bestimmt wird, zu diesem Zweck ein nahezu universelles Mittel bereitgestellt. Der kürzlich explosive Anstieg der Anforderungen an die Datenerfassung, -speicherung und -verarbeitung hat jedoch die Fähigkeiten herkömmlicher Erfassungssysteme in vielen Anwendungsbereichen an ihre Grenzen gebracht. Durch eine alternative Sichtweise auf den Signalerfassungsprozess können Ideen aus der sparse Signalverarbeitung und einer ihrer Hauptanwendungsgebiete, Compressed Sensing (CS), dazu beitragen, einige dieser Probleme zu mindern. Basierend auf der Annahme, dass der Informationsgehalt eines Signals oft viel geringer ist als was von der nativen Repräsentation vorgegeben, stellt CS ein alternatives Konzept für die Erfassung und Verarbeitung bereit, das versucht, die Abtastrate unter Beibehaltung des Signalinformationsgehalts zu reduzieren. In dieser Arbeit untersuchen wir einige der Grundlagen des endlichdimensionalen CSFrameworks und seine Verbindung mit Sub-Nyquist Abtastung und Verarbeitung von sparsen analogen Signalen. Obwohl es seit mehr als einem Jahrzehnt ein Schwerpunkt aktiver Forschung ist, gibt es noch erhebliche Lücken beim Verständnis der Auswirkungen von komprimierenden Ansätzen auf die Signalwiedergewinnung und die Verarbeitungsleistung, insbesondere bei rauschbehafteten Umgebungen und in Bezug auf praktische Messaufgaben. In dieser Dissertation untersuchen wir, wie sich die Anwendung eines komprimierenden Messkerns auf die Signal- und Rauschcharakteristiken auf die Signalrückgewinnungsleistung auswirkt. Wir erforschen auch Methoden, um die aktuelle Signal-Sparsity-Order aus den komprimierten Messungen abzuleiten, ohne auf die Nyquist-Raten-Verarbeitung zurückzugreifen, und zeigen den Vorteil, den sie für den Wiederherstellungsprozess bietet. Nachdem gehen wir zu einer speziellen Anwendung, nämlich der Sub-Nyquist-Abtastung und Verarbeitung von sparsen analogen Multibandsignalen. Innerhalb des Sub-Nyquist-Abtastung untersuchen wir drei verschiedene Multiband-Szenarien, die Multiband-Sensing in der spektralen, Winkel und räumlichen-Domäne einbeziehen.

Die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der Elektronik wenden sich der Realisierung mechanischer dehnbarer Elektroniken zu. Diese sind in der Lage sich umzuwandeln um neue Formfaktoren anzunehmen. Um eine nahtlose Integration der Elektronik in unsere Alltagsgegenstände und viele weitere Anwendungsfelder zu ermöglichen, bei denen herkömmliche starre elektronische Systeme nicht ausreichen, ist mechanische Dehnbarkeit notwendig. Diese Arbeit zielt darauf ab, eine dehnbare Leiterplattentechnologie (sPCB) zu demonstrieren, die mit industriellen Herstellungsprozessen kompatibel ist. Idealerweise soll das starre Trägersubstrat der konventionellen Elektronik durch ein dehnbares Gummisubstrat mit dehnbaren Leiterbahnen ersetzt werden. Zunächst wurde eine Methode entwickelt, um eine industrietaugliche, einlagige, dehnbare Leiterplatte zu realisieren. Der dargestellte Ansatz unterscheidet sich von anderen Methoden in diesem Bereich, welche die Metallisierung auf dem Gummisubstrat aufbringen und die Komponenten anschließend darauf montieren. Dadurch leiden diese unter einer geringeren Ausrichtung und Fixierung. Stattdessen wird im dargestellten Ansatz ein harter Träger verwendet, der den Einsatz des dehnbaren Gummimaterials bis ans Ende der Prozesskette verschiebt. Diese Single-Layer-Methode wurde weiterentwickelt, um mehrschichtige, integrierte sPCB zu realisieren, bei der verschiedene Metallisierungsebenen durch vertikalen Durchkontaktierungen (VIA) miteinander verbunden werden. Auch dieses Verfahren verwendet konventionelle starre Träger für den Herstellungsprozess. Wie in der konventionellen Leiterplattentechnologie ist auch die Herstellung auf starren Trägern wichtig, da sie Folgendes ermöglicht: Ausrichtung und Registrierung, Hochtemperaturprozesse, konventionelle Chip-Bestückung durch Roboter und "On-Hard-Carrier"-Bauteiltests. Darüber hinaus ermöglicht die dargestellte Methode den direkten Einsatz handelsüblicher SMDs, was für die einfache Realisierung komplexer elektronischer Schaltungen wichtig ist. Als Endsubstrat kommt ein hochelastisches Silikonmaterial (EcoFlex) zum Einsatz, welches die Bauelementebenen einkapselt. Um die Bauelementebenen vom harten Träger auf das weiche Substrat zu übertragen, wird ein einstufiges, waferbasiertes und lösungsmittelfreies Ablöseverfahren eingesetzt, bei dem die differentielle Grenzflächenadhäsion einer Multi-Opferschichten genutzt wird. Für die hochelastischen Leiterbahnen wurde ein neues Mäander-Metallbahndesign entwickelt, welches als "spannungsadaptiv" bezeichnet wird. Die neue Mäander-Metallbahn variiert in ihrer Breite, um das einwirkende Drehmoment in den Metallbahnen, aufgrund der ungleichmäßigen Spannungsverteilung über die Mäander-Schleifen, aufzunehmen. Das spannungsadaptive Design zeigt eine signifikante Verbesserung der Spannungsverteilungen auf den Metallbahnen und führt experimentell zu einem höheren Niveau der maximalen Dehnung und der Anzahl der Dehnungszyklen. Es wurde eine breite Palette von dehnbaren Systemen demonstriert, darunter Elektronik, Optoelektronik, Akustoelektronik und Sensor-Arrays. Die Demonstratoren, auf Basis einer einzigen Metallisierungsschicht in einer Gummimatrix, enthalten Arrays mit gehäusten SMDs, LED-Nacktchips, laborgefertigte Si [my]-Transistoren und MEMS-Mikrofone. Weiterhin wird eine integrierte Multilayer-sPCB mit Chip-großen LEDs und Transistoren demonstriert, um eine adressierbare aktive Matrix zu realisieren. Dieser Prototyp demonstriert die Machbarkeit von integrierten Multilayer-sPCB und wird im Prinzip dazu führen, dass jedes heute bekannte elektronische System in ein äquivalentes dehnbares System überführt werden kann. Schließlich stellt diese Arbeit das bahnbrechende Konzept der metamorphen Elektronik vor, welche sich umwandeln kann um neue Topologien und Formfaktoren anzunehmen. Es werden verschiedene Arten von Deformationsmechanismen demonstriert, darunter das Aufblasen von gleichförmigen oder strukturierten Gummimembranen, 3D-geführte Deformationen und Vakuumformung in Kombination mit 3D-Schablonen. Die Palette der Topologien reicht dabei von halbkugelförmig, kugelförmig, konkav/konvex, pyramidenförmig, turmartig, bis hin zu komplexeren 3D-Formen, darunter Bienenaugen-Strukturen.

Das wachsende Interesse an bidirektionaler Satellitenkommunikation im Ka-Band erfordert Antennenentwürfe, welche die in diesem Kommunikationsband weit auseinander liegenden Downlink- und Uplink-Frequenzbereiche berücksichtigen und somit ein dualbandiges Verhalten aufweisen. Während Naturkatastrophen oder anderer desaströser Szenarien erfordert die mobile Krisenkommunikation über einen geostationären Satelliten eine hohe Zuverlässigkeit bei kompaktem Antennendesign. Im Fall einer beschädigten oder überlasteten terrestrischen Kommunikationsinfrastruktur stellen mobile Nutzerterminals mit einer geringen Aufbauhöhe eine wichtige Alternative für die Kommunikation von Rettungseinsatzkräften, Hilfsorganisationen und anderen Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neuartige zweidimensional-periodische Leckwellenantennenstruktur entwickelt, die auf einer zweilagigen frequenzselektiven Oberfläche (FSS) basiert und sowohl für den Empfangs- als auch den Sendefall ausgelegt ist. Die erfolgreich entworfene FSS-Einheitszelle erlaubt zirkulare Polarisation und überlagerte Aperturen für eine dualbandige Funktionalität. Die zweilagige frequenzselektive Oberfläche wird mit einer innovativen Primärquelle angeregt - realisiert durch eine Schlitzstrahlergruppe, die mittels integriertem und verlustarmen Hohlleiternetzwerk bei 20 und 30 GHz gespeist wird. Der Entwurf, Simulationsmodelle und die messtechnische Charakterisierung verschiedener Leckwellenantennenpaneele werden in der vorliegenden Dissertation im Detail diskutiert. Im Verlauf des Promotionsvorhabens wurden auf Basis der entwickelten Antennenpaneele zwei Demonstratoren nachführbarer Satellitenkommunikationsantennen aufgebaut und erfolgreich erprobt. Das verwendete Antennenkonzept erlaubt die Realisierung mit gewissen Freiheitsgraden bezüglich Anzahl und Neigungswinkel der Paneele für den Einsatz bei unterschiedlichen geografischen Breitengraden. Für die Nachführung der Richtcharakteristik wird eine hybride Strategie angewendet. Die Strahlnachführung im Azimut erfolgt mechanisch durch eigens für die Anwendung entwickelte Antennenpositionierer. In der Elevationsebene wird die elektronische Nachführung unter Ausnutzung einer rekonfigurierbaren Richtcharakteristik realisiert.