Ausgewählte Monographien und Dissertationsschriften

Das Thema der hier vorgestellten Arbeit ist die Entwicklung einer flexiblen mehrschichtigen Sensorstruktur zur Erfassung mechanischer Größen, insbesondere von Kräften oder Drucken. Diese Schichtstruktur soll fähig sein, sich in ihrer Gestalt und Steifigkeit an exogene Einflüsse, die als mechanische Umgebungsbedingungen variieren können, anzupassen. Die menschliche Haut als komplexes Sinnesorgan dient hier als Inspirationsmodel für ein nachgiebiges adaptives technisches System. Die funktionsrelevanten morphologischen Bestandteile der Haut wie Schichtung, drei-dimensionale Geometrie der Grenzfläche der papillären Dermis und die Mechanorezeptoren spielen eine große Rolle bei der Wahrnehmung des auf die Körperoberfläche wirkenden mechanischen Reizes und dessen weiterer Interpretation. Die räumliche Verteilung der Mechanorezeptortypen innerhalb der mechanisch unterschiedlichen Gewebeschichten verleiht der Haut die Möglichkeit unterschiedliche Arten von Informationen aus der unmittelbaren Umgebung zu rezipieren. Eine Druckkraft auf die Hautoberfläche erzeugt einen messbaren Versatz der papillären Flankenflächen zwischen Epidermis und Dermis zueinander und bewirkt damit eine Vergrößerung des Dehnungsanteils des Reizes. Eine zusätzliche hydraulische Komponente stellt der subepidermale Venenplexus dar, dessen Gefäßsteifigkeit vom Innendruck abhängig ist. Die Integrationsstrategie des Sensor-Aktor-Systems der menschlichen Haut wird mit einer technischen Implementierung dieser Sensorperipherie umgesetzt. Die unter den verschiedenen äußeren Belastungen auf der Hautoberfläche entstandene Spannungsverteilung in den Gewebeschichten der Haut kann mithilfe analytischer und numerischer Methoden bestimmt werden. Ergebnisse aus der experimentellen Biologie sowie Modelle als Entsprechung zum natürlichen Objekt, welche bestimmte Eigenschaften (z.B. Papillenprofile, Materialeigenschaften oder Sensorposition) widerspiegeln, wurden in das biomimetische Erklärungsmodell übertragen. Die Sensoren innerhalb einer geeigneten Matrix können in dem nachgiebigen mehrschichtigen Funktionsmuster räumlich so verteilt sein, dass bei Oberflächendruck die begleitenden spezifischen Tangentialkraft-Komponenten aufgenommen und erfasst werden können. Die Struktur der Oberfläche der Grenzschicht kann als keilförmiges Profil analog der papillären Dermis hergestellt werden. Durch eine Implementierung der fluidischen Aktorik in die basale Schicht kann eine Steifigkeitseinstellung während der Messung realisiert werden. Diese Kombination von Sensor- und Aktorkomponenten versetzt das Gesamtsystem in die Lage, sich an die exogenen Einflüsse und variablen Messbedingungen in weitem Bereich anzupassen.

Bei reklamiertem Wildschaden am Automobil kann die Aufklärung, ob es sich tatsächlich um einen Wildunfall gehandelt hat, nur interdisziplinär erfolgen. Allein die Untersuchung der Haare oder einer Blutspur genügt nicht für eine sichere Aussage, ob ein Wildunfall stattgefunden hat. Gleichermaßen entscheidend sind das Schadenbild am Fahrzeug, die Spuren am Unfallort sowie die Einlassungen zum Unfallhergang. Zur Sicherung und Auswertung dieser Beweise gibt es bis heute kein standardisiertes technisches Procedere. Dieses auf wissenschaftlicher Grundlage gerichtssicher zu erarbeiten war die zentrale Zielsetzung dieser Arbeit. Am Fahrzeug verbleiben in den meisten Fällen als Anhaftungen nur wenige Haare und mitunter auch Blut. Diese sind die Beweismittel, welche zur Untersuchung und Bestimmung der Tierart genutzt werden können. Blutspuren am Fahrzeug werden bisher selten gesichert. Dabei lässt sich angetrocknetes Blut am Fahrzeug nach Abkratzen mit Hilfe eines scharfen Gegenstandes wie z.B. einer Rasierklinge in einer Folientüte einfach sichern. Noch besser ist die Sicherung der Blutspur mit einem DNA-freien Wattestäbchen. Die Haare sollten nicht mit Klebefolien gesichert werden. Zur Untersuchung müssten die Haare später vom Kleber getrennt werden, was mitunter nicht zerstörungsfrei gelingt. Weiterhin ginge das Haar bei längerer Anhaftung mit dem Kleber eine Verbindung ein. Eine Kontaminierung mit dem Klebstoff der Klebefolie könnte nicht ausgeschlossen werden. Besser ist es, die Spuren in Pergamintüten zu sichern. Die Haaruntersuchung zur Feststellung der Tierart und der Elementverteilung im Haar erfordert eine systematische Vorgehensweise. Dabei sind zur Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zuerst die zerstörungsfreien Methoden anzuwenden. Die Beobachtungen sollten im Bild dokumentiert werden. Als Erstes erfolgt die makroskopische Darstellung zur Dokumentation von Haarlänge und Farbgebung. Danach sollte eine Voruntersuchung mit der Lupe erfolgen, um die Lage von Wurzel und Spitze zu ermitteln. Nicht immer liegen zur Untersuchung vollständige Haare vor. Unter dem Mikroskop mit Kamera erfolgt anschließend über die definierten Haarabschnitte die Dokumentation. In einigen Fällen lässt sich bereits nach dieser Untersuchung durch die Betrachtung der Medulla die Tierart feststellen. Im Rasterelektronenmikroskop lässt sich die äußere Rindenschicht des Haares aufgrund der größeren Schärfentiefe deutlich darstellen. Diese gibt weitere Anhaltspunkte zur Tierartbestimmung. Immer sollte eine weitergehende Untersuchung zur Bestimmung der Elemente im Haar durchgeführt werden. Diese kann in Kombination mit im Rasterelektronenmikroskop integrierten oder separaten Geräten erfolgen. Zur Feststellung, welche chemischen Elemente im Haar vorkommen, und wie sich diese in Haaren von Tieren in der Natur zu behandelten Haaren unterscheiden, wurde mit dem im Rasterelektronenmikroskop integrierten EDRS die Messung der Elementmengen durchgeführt. Bei den Haaren handelt es sich um inhomogene Proben. Durch die Messung an verschiedenen Abschnitten mehrerer Haare konnten Unterschiede zwischen manipulierten und nicht manipulierten Haaren aufgezeigt werden. Die Messungen zu den Elementen wurden in einer Datenbank zusammengefasst, um einen schnellen Abgleich der Ergebnisse zu ermöglichen. Bei Verfügbarkeit ausreichender Mengen an Haarmaterial oder gesicherter Blutspur kann die Tierart mit Hilfe der DNA-Analyse ermittelt werden. Bei dieser Methode kommt es allerdings zur vollständigen Vernichtung der Beweismittel, da die Haare zur DNA-Gewinnung aufgelöst werden. Die Schäden an den Fahrzeugen sind bei einem Wildunfall von mehreren Faktoren abhängig. Unterschiede ergeben sich durch die Karosserieform und die Art des Fahrzeuges, die Relativgeschwindigkeit, die Größe und Masse des Tieres sowie die Anstoßkonstellation. Zum Abgleich, ob ein Schadenbild am Fahrzeug einem Tier zugeordnet werden kann, wurden Lichtbilder von mit Tieren kollidierten Fahrzeugen gesammelt. Die Spuren an den Fahrzeugen wurden ausgewertet, soweit es sich um gesicherte Wildunfälle handelte. Damit lässt sich nach der Feststellung der Tierart anhand der Antragspuren das Schadenbild abgleichen. Die wesentlichen Bilder und technischen Daten zum Fahrzeug wurden in einer eigens dafür erstellten Datenbank gesammelt. Teilweise konnten die Fahrzeuglenker befragt werden, welche dann weitere (subjektive) Angaben zum Unfallhergang gaben. Wichtig für die Beurteilung sind die Lichtbilder mit den Beschädigungen und der Spurenlage. Da selten alle Information zum Wildunfall in der Datensammlung vorliegt, wurde eine einfache Differenzierung zur Qualität mit einem "Fünfsternesystem" erarbeitet. Die Vergleichsfälle in der Datenbank kommen aus drei Datenquellen. Diese sind (1) nachgewiesene Wildunfälle aus Gutachten, (2) am Unfallort aufgenommene Wildunfälle und (3) Schadenbilder aus selbstdurchgeführten Versuchen.

In industriellen Produktionsbetrieben halten kollaborative Roboter verstärkt Einzug, um Menschen bei manuellen Tätigkeiten zu unterstützen. Roboter und Menschen arbeiten zeitgleich und miteinander in gemeinsamen Arbeitsräumen. Die Mensch-Roboter-Kollaboration beschreibt die engste und flexibelste Form dieser arbeitsteiligen Zusammenführung und unterliegt strengen Sicherheitsanforderungen. Sie gewährleisten, dass der kollaborative Roboter kein gesundheitliches Risiko für den Menschen darstellt. Die größten Gefahren für den Menschen gehen von einer Kollision mit dem Roboter oder einer Klemmung von Körperteilen durch den Roboter aus. Für beide Gefahren schreibt ISO/TS 15066 vor, dass der Eintritt einer Verletzung durch die Einhaltung von biomechanischen Belastungsgrenzen zu vermeiden ist. Derzeit verzeichnet ISO/TS 15066 ausschließlich Grenzwerte für Situationen, bei denen die Gefahr von einer Klemmung ausgeht. Grenzwerte für Kollisionen fehlen bisher. Die vorliegende Arbeit schließt diese Lücke. Sie stellt Ergebnisse aus einer umfangreichen Literaturrecherche vor, die den aktuellen Kenntnisstand zu stoßartigen Belastungen und ihren Verletzungsfolgen aufzeigen. Keine der gesichteten Quellen beinhaltet Belastungswerte, die sich zur Festlegung von Grenzwerten eignen, um Menschen vor Verletzungen durch Kollisionen mit einem Roboter zu schützen. Ausgehend von einer sorgfältigen Analyse zu Hergang und Wirkung eines Stoßes wird im weiteren Verlauf der Arbeit eine Probandenstudie entwickelt, deren Design die spezifischen Anforderungen an die gesuchten Grenzwerte erfüllt. Der Methoden- und Versuchsplan sah vor, die Probanden an bis zu 21 Körperstellen mit einem Stoßpendel zu belasten. Im Zuge der Versuche wurde die Belastungsintensität schrittweise erhöht, bis ein Schmerz oder eine leichte Verletzung auftraten (in Form eines Hämatoms oder einer Schwellung). Die Auswertung der Versuche zum Schmerzeintritt ergab eine Tabelle mit den gesuchten Grenzwerten, die sich dazu eignen, ISO/TS 15066 zu ergänzen. Aus dem Studienteil zum Verletzungseintritt gingen aufgrund eines kleineren Probandenkollektivs allenfalls Orientierungswerte hervor. Trotz ihrer Vorläufigkeit vermitteln sie einen interessanten Einblick auf jene Form einer Kollisionsfolge. Der abschließende Vergleich der hier ermittelten Grenz- und Orientierungswerte mit vergleichbaren Sekundärdaten zeigt, dass die Arbeit den aktuellen Kenntnisstand in der Wissenschaft fortschreibt. Darüber hinaus gehen mit den Ergebnissen zahlreiche und interessante Anknüpfungspunkte für weiterführende Arbeiten einher.

In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Entwicklung von Assistenzsystemen und ihren Schnittstellen bei Nutzung eines neuen Konzeptes (nutzerbezogene Gestaltung von Assistenzsystemen und deren Nutzerschnittstellen NuGASt), erfolgreich durchgeführt werden kann. Die Motivation zur Entwicklung des neuen Konzepts ergab sich aus der Identifikation von Problemen bei der Untersuchung und Beurteilung vorhandener Gestaltungslösungen für eine Nutzerschnittstelle (Fernbedienungen). Um eine Einordnung des Untersuchungsgegenstands "Assistenzsystem" machen zu können, werden einleitend verschiedene notwendige Begriffsbestimmungen und Definitionen vorgenommen sowie eine für diese Arbeit nutzbare Definition von Assistenzsystemen vorgeschlagen. Es wird beschrieben, wie dieses Konzept aus der Analyse vorhandener Entwicklungsmodelle verschiedener Bereiche wie Softwareentwicklung und Usability Engineering abgeleitet und mittels des bekannten Problemlösungsansatzes (s. VDI 2221) entworfen wurde. Im Unterschied zu den untersuchten anderen Konzepten und Modellen ist das Kennzeichen von NuGASt eine frühzeitige Nutzereinbindung bereits vom Start einer Entwicklung an. Außerdem basieren alle Entwicklungsschritte auf Kenntnissen über die späteren Nutzer, ihren Eigenschaften und Befähigungen hinsichtlich der Nutzung des zu entwickelnden Systems. Das Konzept ist strukturell ebenfalls an den Problemlösungsansatz angelehnt, verbindet diesen aber mit Elementen anderer Entwicklungsmodelle und wird ergänzt durch flexibel einsetzbare Rückkopplungen und Nutzerbeteiligungen. Als Kriterium zur Bewertung des späteren Entwicklungsergebnisses wurde die Gebrauchstauglichkeit gewählt (s. DIN ISO EN 9241:11), da sie die mit dem Konzept gewünschte Ausrichtung auf den späteren Nutzer eines Produkts repräsentiert. Es wird die schrittweise Herleitung des Konzepts beschrieben sowie die Überprüfung der Funktions- und Passfähigkeit des Konzepts auf die zu Beginn gestellten Ziele (Entwicklung von Assistenzsystemen und Schnittstellen), was an ausgewählten Beispielen aus Forschungsprojekten belegt wird. Die Ergebnisse der gezeigten Projekte und Evaluationen mit potentiellen Nutzern zeigen, dass durch den Einsatz von NuGASt in Projekten zur Entwicklung von Assistenzsystemen tragfähige Lösungen gefunden werden können, die auch durch die späteren Nutzer akzeptiert werden.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Modells für pulsationsfrei arbeitende, lineare Schlauchpumpen sowie der Nachweis der praktischen Realisierbarkeit derartiger Pumpen. Schlauchpumpen sind eine spezielle Form von Pumpen, deren Arbeitsraum aus einem flexiblen Schlauch besteht, in welchem der Fluidtransport durch eine mechanisch aufgeprägte Verformung des Schlauchquerschnittes "erzwungen" wird. Diese Funktionsweise ist bionisch inspiriert von dem aus der Natur bekannten Prinzip der propulsiven Peristaltik in Hohlorganen, weswegen Schlauchpumpen umgangssprachlich auch als Peristaltikpumpen bezeichnet werden. Der entscheidende Vorteil von Schlauchpumpen gegenüber allen anderen Pumpen besteht darin, dass das zu pumpende Fluid ausschließlich mit der Innenseite des Schlauches in Kontakt kommt, so dass eine Kreuzkontamination praktisch ausgeschlossen ist. Insbesondere aus diesem Grund kommen in der Medizintechnik und der Biotechnologie überwiegend Schlauchpumpen zum Einsatz. Neben einer Vielzahl weiterer Vorteile besitzen alle bisher verfügbaren Schlauchpumpen jedoch den Nachteil, dass der von ihnen erzeugte Volumenstrom stark pulsiert. Deshalb eignen sich Schlauchpumpen nur bedingt für präzise Dosieraufgaben. Auch können sich die durch die Pulsation hervorgerufenen Druckschwankungen störend auf ein angeschlossenes fluidisches System auswirken. Den theoretischen Ansatz für die pulsationsfreie Funktionsweise linearer Schlauchpumpen liefert ein von Feller & Schimmelpfennig (2010) vorgestelltes Konzept, welches die zyklischen Volumenänderungen von fünf in Reihe geschalteten Arbeitsräumen beschreibt. Eine in dieser Arbeit vorgenommene Analyse zeigt, dass für die Umsetzung dieses Konzeptes unendlich große Beschleunigungen der die Arbeitsräume bildenden mechanischen Komponenten und des in den Arbeitsräumen enthaltenen Fluides erforderlich wären. Da derartige Beschleunigungen weder realisierbar noch praktikabel sind, wurde unter Berücksichtigung der kinematischer Aspekte wie "Stoß" und "Ruck" ein neues Konzept in Form eines parametrischen Pumpenmodells entwickelt, mit welchem sich die zum pulsationsfreien Betrieb der Pumpe benötigten zeitabhängigen Stößelbewegungen berechnen lassen. Für den praktischen Nachweis der Realisierbarkeit pulsationsfreier linearer Schlauchpumpen wurde ein technischer Demonstrator entwickelt. Die Versuche mit dem Demonstrator zeigten, dass aufgrund des viskoelastischen Materialverhaltens des Pumpschlauches und der endlichen Fertigungsgenauigkeit der verwendeten Komponenten eine gewisse Restpulsation verbleibt. Insbesondere bei kleinen Antriebsdrehzahlen ist diese zum Teil um mehr als eine Größenordnung geringer, als die Pulsation von zwei getesteten, kommerziell verfügbaren Schlauchrollenpumpen.

Mit Zunahme der Aktivitäten im Feld der Tiefseeforschung und -erkundung gewinnen autonome Unterwasserroboter an Bedeutung. Die Aufgabenerfüllung dieser mobilen Serviceroboter soll zukünftig verstärkt auch in solchen Gewässern erfolgen, welche dicht bewachsen oder mit Abfällen verunreinigt sind. Dadurch werden Antriebssysteme erforderlich, welche die Gefahr eines Funktionsausfalls aufgrund der Arbeitsumgebung des Roboters minimieren. Somit erfolgen innerhalb der vorliegenden Arbeit der systematische Entwurf sowie die Validierung eines biologisch inspirierten Antriebssystems, welches analog der Fortbewegung stetig schwimmender Fische den Vortrieb über gerichtete Verformung anstelle der Vollrotation eines Propellers erzeugt. Die Neuartigkeit dieses Antriebssystems besteht darin, dass der Vortrieb mittels einer variablen Anzahl an wechselsinnig bewegten Starrkörperelementen generiert wird, welche untereinander federnd verkoppelt sind. Unter Einbezug des derzeitigen Standes der Wissenschaft und Technik besteht die Herausforderung in der Reduktion der für die Fortbewegung erforderlichen Anzahl der Aktuatoren unter Beibehaltung eines technisch nutzbaren Vortriebs sowie der Manövrierfähigkeit des Roboters. Zudem sollen die gezielt platzierten Energiespeicher innerhalb des Mechanismus eine Optimierung des Leistungsbedarfs eines schwimmenden aquatischen Roboters ermöglichen: die während der Oszillation auftretende kinetische Energie wird in potentielle und für den nächsten Schlagzyklus nutzbare Energie gewandelt. Anhand von Mehrkörpermodellen werden daher der Leistungsbedarf sowie das Bewegungsverhalten mittels numerischer Simulationen ermittelt und geeignete Konfigurationen durch systematische Parametervariation herausgearbeitet. Anschließend erfolgt die konstruktive Umsetzung der simulativ gewonnenen Erkenntnisse in der EXPERIMENTALPLATTFORM URMELE 1.0, einem Vertreter der aquatischen Roboterfamilie URMELE. Unter Verwendung eines ebenfalls innerhalb dieser Arbeit entworfenen Versuchsstandes wird die Experimentalplattform im Versuch validiert. Die Experimentaldaten werden anschließend mit den Simulationsdaten verglichen. Ausgesuchte Baugruppen werden modifiziert. Die durchgeführten Untersuchungen bestätigen hierbei, dass sich durch Beeinflussung der das Antriebssystem wesentlich charakterisierenden Parameter, wie beispielsweise Amplitude und Federsteifigkeit, günstige Konfigurationen hinsichtlich des Leistungsbedarfs sowie des Bewegungsverhaltens ergeben.

Die Entwicklung von Cochlea-Implantaten (CI) ist eine einzigartige Erfolgsgeschichte in der Neuroprothetik, welche die Behandlung von tauben und zunehmend hochgradig schwerhörigen Patienten ermöglicht. Die Implantation eines CIs ist dabei ein komplexer Eingriff, der ein erhebliches Risiko des Resthörverlusts birgt. Die aktuelle CI-Versorgung ist jedoch dominiert von der wachsenden Forderung nach sicherem Resthörerhalt. Das führt zu hohen Erwartungen an die Verbesserung der CI-Chirurgie und insbesondere an die Insertion der Elektrodenträger. Wesentliche Fortschritte und die damit verbundenen, technischen Herausforderungen sind nur noch durch ganzheitliche und domänenübergreifende Lösungsansätze zu bewältigen, wie sie die Biomechatronik bietet. Daraus folgt das erklärte Ziel dieser Arbeit: eine eng verzahnte Weiterentwicklung aller für den Resthörerhalt relevanten Prozessschritte. Fokussiert auf das chirurgische Vorgehen wurden für die mechanische Schaffung eines minimal-invasiven Zugangs ins Innenohr, dessen anatomieerhaltende Eröffnung und die automatisierte Insertion der CI-Elektrodenträger mechatronische Komponenten entwickelt und evaluiert. Geprägt waren diese Entwicklungen von einer biologisch fundierten Betrachtungsweise, um die anatomischen Aspekte in der Optimierung bestmöglich auszuschöpfen. Den Ausgangspunkt der Arbeit bildete eine systematische Sekundäranalyse zur Biomechanik der Insertion in Kombination mit einer Analogiebetrachtung zu technischen Füge- bzw. Handhabungsprozessen. Daraus folgte, dass die Anpassung der Gestalt des Implantats an die individuelle Form des Innenohrs von zentraler Bedeutung für den Resthörerhalt ist. In der darauf aufbauenden, simulationsgestützten Optimierung des Insertionsprozesses wurde erstmalig gezeigt, dass die patientenspezifische Adaption des Verformungsverhaltens des Elektrodenträgers an die Cochleaanatomie ein erhebliches und bislang ungenutztes Optimierungspotential bietet. Für die notwendige Automatisierung der Insertion wurde ein modulares Insertionstool konzipiert. Dessen Entwurf ging mit Designempfehlungen für zukünftige Elektrodenträger einher, welche erstmalig die räumlichen Anforderungen des minimal-invasiven Zugangs berücksichtigen. Durch die ganzheitliche, biomechatronische Herangehensweise wurde somit aufgezeigt, wie ein sicheres und zukunftsweisendes Operationsverfahren bereitgestellt werden kann.

TETRA GmbH Ilmenau und drei universitäre Lehrstühle zeigen im Projekt InspiRat, dass bei wissenschaftlicher Unterstützung auch die deutsche Industrie in der Lage ist, in der Robotik internationale Standards zu setzen. InspiRat und RatNics als Akronyme sollen Assoziationen wecken: Analyse des Kletterns insbesondere von Ratten trieb den Bau einer neuen Klasse von Robotern. Waren zu Beginn des Projektes integrierte Kletterroboter mit Massen > 35 kg verfügbar, so gibt es nun Maschinen mit 1 kg bis 2 kg Masse, experimentell modulare Systeme mit 250 g Masse. Nebenergebnis ist die weltweite Definition des Standes der Technik der Röntgenvideographie zusammen mit der Siemens® AG: biplanar 2.000 Röntgenbilder/Sekunde in HD. Ergebnisse universitärer Studien werden in Journalen publiziert, doch belegt die Nachfrage nach dem Abschlussbericht des Projektes für das BMBF das Interesse an einer übergreifenden, transdisziplinären Darstellung des bionischen Entwicklungsprozesses. Wir publizieren deswegen diesen Abschlussbericht nur geringfügig redaktionell überarbeitet. Er beschreibt somit den wissenschaftlichen Stand 2011 in einer auf den Fördermittelgeber zugeschnittenen Darstellungsweise. Die Wissenschaft ist nicht stehen geblieben, wir erleichtern die Nachverfolgung durch Angabe einiger Publikationen aus der Zeit nach Projektende. Doch ist unser Anspruch nicht prospektiv wie bei Zeitschriftenartikeln, wir wollen retrospektiv die Analyse eines erfolgreich abgeschlossenen Prozesses ermöglichen.

Der menschliche Gang ist Gegenstand der Forschung in zahlreichen Wissenschaftsdisziplinen, von der Biologie über die Medizin, Sportwissenschaft, Psychologie und Physik bis zu den Ingenieurswissenschaften. Die Motivationen, sich mit der Fortbewegung auf zwei Beinen auseinander zu setzen sind dabei höchst unterschiedlich. Dies führt zu einer Vielzahl von methodischen Ansätzen und erschwert die interdisziplinäre Kommunikation. Der Weg vom Experiment im Ganglabor zur Beinprothese oder Laufmaschine führt über das Verständnis der neuro-mechanischen Funktionen des menschlichen Beines. Die Integration von Erkenntnissen aus Computermodellen zum menschlichen Gang in die Konstruktion technischer Geräte gelingt aufgrund des großen fachlichen Abstandes, der sich in sehr unterschiedlichen wissenschaftlichen Herangehensweisen ausdrückt, häufig nicht oder nur sehr oberflächlich. Gleichzeitig wird die Relevanz technischer Erkenntnisse zur Mechanik und Regelung der zweibeinigen Fortbewegung für das Verständnis biologischer Systeme aufgrund der Komplexität der technischen Systeme häufig nicht wahrgenommen. Dieser Arbeit liegt die Frage nach einem methodischen Ansatz zur Überprüfung und Veranschaulichung biomechanischer Konzepte zugrunde. Durch die technische Umsetzung einfacher biomechanischer Funktionsmodelle lassen sich deren Vorhersagen überprüfen und deren Anwendbarkeit zeigen. Es wurde ein modularer, zweibeiniger Roboter in einer für die Ganganalyse geeigneten Experimentierumgebung entwickelt und in einem modularen Simulationsmodell abgebildet. Anhand von zwei Studien zur Überprüfung der Vorhersagen unterschiedlicher Gangmodelle wurde die Anwendbarkeit demonstriert. Vorhersagen aus Modellstudien zum Fersenabdruck im Gehen wurden anhand eines Roboters mit elastischem Sprunggelenk und flachem Fußsegment überprüft und mit Hilfe eines Mehrkörper-Simulationsmodells widerlegt. In einer zweiten Studie wurden Vorhersagen eines Feder-Masse-Modells zu Dynamik und Stabilität des zweibeinigen Ganges mit einem angepassten Robotermodell untersucht. Dabei konnte das vorhergesagte Verhalten teilweise reproduziert werden. Werte zur Leistungsaufnahme, die mit dem energiekonservativen Feder-Masse-Modell nur indirekt möglich sind, konnten ermittelt und in Beziehung zu Beobachtungen an biologischen und technischen Systemen gesetzt werden. Bei der Entwicklung und Umsetzung des Roboters wurde auf einfache Bedienbarkeit, Reproduzierbarkeit des Verhaltens und Anpassbarkeit durch Modularität besonderes Augenmerk gelegt. Diese Konzeption ermöglicht einen vielseitigen Einsatz. Durch die Kombination wissenschaftlicher Techniken unterschiedlicher Disziplinen eines Roboters als Erklärungsmodell in einer bewegungswissenschaftlichen Experimentierumgebung lassen sich der Transfer und das Verständnis fachfremder Erkenntnisse deutlich erleichtern.

Die BioMEMS (Biological Micro-Electro-Mechanical Systems)-Technologie spielt vor allem für Biosensoren eine entscheidende Rolle im Prozess der Informationsbeschaffung für die technologisch fortschreitende Entwicklung unserer Zivilisation. "Oberflächenspannungsbasierte Biosensoren" sind eine relativ neue Klasse von Biosensoren, welche die Änderung der freien Energie nutzen (das zugrunde liegende Prinzip jeder Bindungsreaktion), und bieten somit eine universelle Plattform für biologische oder chemische Sensorik. In der Dissertationsschrift wird ein neuer oberflächenspannungsbasierter Polydimethylsiloxan (PDMS)-Mikro-Membran-Biosensor vorgeschlagen, konstruiert, gefertigt und getestet. Der Biosensor besteht aus zwei Haupt-Funktionskomponenten: Mikrofluidik und Sensorik. Jeder Sensor besteht aus zwei Mikro-Membranen, einer aktiven Membran und einer Referenzmembran. Die Biosensoren wurden erfolgreich unter Bewältigung vieler Herausforderungen aufgebaut. Diese lagen insbesondere in den Bereichen Design und Herstellung, wie zum Beispiel der Integration der PDMS-Mikroverarbeitung mit herkömmlichen Verfahren, der Herstellung von "perfekten" PDMS-Dünnschichten und der Gewinnung der PDMS-Membran. Darüber hinaus wurde eine Klebetechnik, welche unausgehärtes PDMS als Zwischenschicht für die Bindung zwischen Biosensor und Mikrofluidikkomponenten oder -bauteilen nutzt, untersucht und getestet. Für die Prüfung und Anwendung der Biosensoren wurden zwei Biosensor-Testsysteme eingerichtet. Eines mit einem "smart Weißlichtinterferometer" (smartWLI) und ein anderes mit einem "Fiberoptic Interferometer" (FOI). Drei Alkanthiol-Moleküle mit verschiedenen funktionellen Endgruppen wurden als Biosensor-Überzugsschichten für die Anwendung getestet. MUA ist das derzeit beste "funktionelle" Material, um die Membran für den Nachweis von E. coli zu funktionalisieren. Der PDMS-Mikro-Membran-Biosensor auf Basis der Analyse von Oberflächenspannungen besitzt gute Empfindlichkeit, Reproduzierbarkeit und Biokompatibilität. Der Zustand von E. coli-Bakterien kann auf der Grundlage der Analyse der Oberflächenspannungen gemessen werden.

In einer modernen Kommunikationsgesellschaft ist der Verlust des Gehörs eine tiefgreifende soziale Behinderung, die zu einer weitgehenden Isolation des Betroffenen führt. Die Erkennung lärmbedingter Funktionsveränderungen des Innenohrs ist demnach nicht nur ein humanes, sondern auch ein ökonomisches Anliegen. Präventive Gesichtspunkte sind so zu gestalten, dass Gesundheitsgefahren vermieden und /oder beginnende Erkrankungen in einem sehr frühen Stadium erkannt werden können. Die Grundlage dafür ist eine möglichst genaue und sichere Quantifizierung der äußeren Noxen und Symptome. Deshalb haben Arbeitgeber wie Arbeitnehmer Interesse an der Verfügbarkeit nichtbelastender ständig vorhandener (technischer) Möglichkeiten zur Messung und Kontrolle individueller Lärmbelastungen und -beanspruchungen. Für die Präventionsforschung und in der Folge für den Arbeitsschutz ergeben sich aus der Miniaturisierung mechatronischer Systeme vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Eine davon ist die Entwicklung eines tragbaren Personalisierten, Miniaturisierten Lärm-Dosimeters (PMD), mit dem eine (quasi-)simultane Messung der tatsächlichen Lärm-Immission in situ und der individuellen Beanspruchung des Gehörs möglich wird.Aus einem Grundkonzept einer Familie Personalisierter Miniaturisierter Dosimeter für beliebige physio-chemische Qualitäten und Größen sowie einem Messkonzept zur Bestimmung individueller Belastungs-Beanspruchungs-Beziehungen konnte in dieser Arbeit ein Anforderungskatalog für ein selbstreferenzierendes PMD zum Einsatz in der primären Lärmprävention definiert werden. Dieser wurde in eine exemplarische Umsetzung überführt und einem ausführlichen Funktionstest nach aktuellen Normen und Richtlinien der akustischen Messtechnik unterzogen.Da bisher noch kein Messverfahren existiert, um die Vulnerabilität des Innenohres zu erfassen, wurden zunächst die Möglichkeiten individueller Risikoanalyse mittels otoakustischer Emissionen (OAE) untersucht. Dabei konnte die Wirkung des Lärms auf TEOAE-Eingangs-/Ausgangsfunktionen als mögliche Indikatoren der Lärm-Vulnerabilität geprüft werden. Aus den Daten wurde ein neues Modell zur Quantifizierung der individuellen Vulnerabilität (IdiV-Modell) gebildet. Dieses Modell soll in die prototypische Umsetzung des PMD integriert werden.

Die Natur bietet ein unerschöpfliches Potential an Phänomenen mit technischer Relevanz. Oft scheitert die breite Anwendung von Ideen aus der Biologie am Fehlen einer effektiven Transfermethode zwischen Forschung und industrieller Anwendung. In der vorliegenden Arbeit wird basierend auf einer vergleichenden Betrachtung biologischer Sinnesorgane und technischer Sensorsysteme ein Konzept zur systematischen Analyse der funktionell entscheidenden Grundprinzipien biologischer Sinnesorgane dargestellt. Dieses Konzept des Reizleitungsapparates ermöglicht die Aufbereitung und Systematisierung biologischen Wissens und eignet sich für eine Anwendung auf technische Sensoren zur Identifikation des Optimierungspotentials und Entwicklung von Lösungsansätzen.Am Beispiel taktiler stiftführender Sensoren wird das Konzept zum Reizleitungsapparat als methodische Leitlinie angewandt. Als Untersuchungsobjekt wird aufgrund seiner technisch relevanten Charakteristika das Tasthaar-Sinnessystem von Säugetieren mit den peripheren Strukturen Haarschaft, Follikel-Sinus-Komplex und Mechanorezeptoren ausgewählt. Ziel der Untersuchungen dieses Sinnesorgans ist nicht die detaillierte Aufklärung aller funktionellen Zusammenhänge von der Peripherie bis zu der neuronalen Verarbeitungskette, sondern eine Abstraktion entscheidender Grundprinzipien, die den Ausgangspunkt für Lösungsansätze sensortechnischer Problemstellungen darstellen. Daher erfolgt die Aufarbeitung der biologischen Kenntnisse unter Zuhilfenahme ingenieur-wissenschaftlicher Methoden und Modelle. Die Peripherie des Tasthaar-Sinnesorgans wird als Biegebalken mit nachgiebiger Lagerung interpretiert, deren Steifigkeit aktiv einstellbar ist. Während der Haarschaft bezüglich seiner Struktur und der mechanischen Eigenschaften mit verschiedenen experimentellen Methoden untersucht werden kann, muss bei der Analyse des Follikel-Sinus-Komplexes auf deduktive Methoden der Modellbildung zurückgegriffen werden. Es wird ein auf Grundprinzipien reduziertes mechanisches Modell vorgestellt und dessen Reaktion einerseits als statisches und andererseits als dynamisches System auf verschiedene Erregerkräfte analysiert. Abschließend werden Ansatzpunkte zur Optimierung taktiler stiftführender Sensoren entwickelt. Schwerpunkte liegen neben Gestaltungsvorschlägen für die reizaufnehmende Struktur auf der Umsetzung einer nachgiebigen und in ihrer Steifigkeit einstellbaren Lagerung.

Die vorliegende Arbeit widmete sich in einem interdisziplinären Ansatz der Prävention arbeitsbedingter Erkrankungen. Die frühe Erkennung von lärmbedingten Hörschädigungen ist auch wegen der Zunahme der außerbetrieblichen Lärmexposition von besonderer Bedeutung. Die Entwicklung Personalisierter Miniaturisierter Dosimeter PMD für diesen Zweck ist eine der wichtigen zukünftigen Aufgaben der Biomechatronik. Die vorliegende Arbeit stellt dDie für die Konstruktion der PMDe erforderlichen physiologischen Parameter werden im Ergebnis der Arbeit technisch aufbereitet zur Verfügung gestellt. Hierzu wichtige Zielstellung ist die Untersuchung der Einsatzmöglichkeit der otoakustischen Emissionen (OAE) für eine Frühdiagnose und deren Eignung für die betriebliche audiologische Reihenuntersuchung. Im Ergebnis werden die gerätetechnischen Voraussetzungen aufgezeigt, unter denen stabile, reproduzierbare Messungen der Lärmimmission und der otoakustischen Emissionen erreicht werden können. Die Beurteilung von Lärmeinwirkungen auf die Veränderungen der otoakustischen Emissionen und die Morphologie des Innenohres setzt eine genaue Kenntnis der Geräuschparameter voraus. In einer Langzeitstudie zur Entwicklung des subjektiven Hörempfindens und der OAE bei lärmexponierten Arbeitnehmern aus der holzverarbeitenden und der Getränkeindustrie werden die Frequenzstrukturen und der Energiegehalt von Industriegeräuschen sowie deren hörschädigende Wirkung an Beispielen dargestellt. In jeweils drei aufeinander folgenden Untersuchungszyklen sind im jährlichen Abstand die Lärmbelastung, die transitorisch evozierten OAE (TEOAE) und die Distorsionsprodukte der OAE (DPOAE) mit den Messsystemen ILO 88 bzw. ILO 92 sowie die Reintonaudiogramme aufgenommen und analysiert worden. In einer Teilstudie sind Meerschweinchen mit authentischen Geräuschen beschallt und die DPOAE gemessen worden. Es wurden frequenzabhängige Verminderungen und teilweise Erhöhungen der DPOAE-Amplituden festgestellt. Die morphologische Untersuchung der Cochlea der Tiere zeigt Defekte an den äußeren Haarzellen in den entsprechenden Bereichen. Bei den Arbeitnehmern treten abhängig von der Lärmimmissionsdosis unterschiedliche Amplitudenreaktionen bei den DPOAE und den TEOAE auf. Die TEOAE-Änderungen sind vorwiegend im Frequenzbereich um 1 kHz signifikant und früher als die DPOAE-Veränderungen festzustellen. Bei den DPOAE sind signifikante Reduktionen in den Frequenzen um 3 kHz und 4 kHz zu verzeichnen. Bei den Probanden mit einer geringeren aufgenommenen Lärmdosis sind häufig zunächst in mehreren Frequenzen Amplitudenerhöhungen, signifikant um 5 kHz, zu registrieren. Später kommt es zu ebenfalls zu Reduktionen. - Im Ergebnis wird festgestellt, dass sich die OAE unter bestimmten Voraussetzungen zur Früherkennung von Lärmhörschäden eignen ...