Dissertationen zum Thema „Actice force measurement“

Active magnetic bearings (AMBs) have the ability to act concurrently as support bearings and as load sensing measurement tools. Previous work in the area of AMB force measurement has relied upon basic magnetic equations requiring knowledge of coil currents and air gap lengths. Some researchers have utilized magnetic flux probes to eliminate the need for air gap measurements, but these are limited by physical size constraints and require complex hardware. This thesis presents a new method for measuring forces with AMBs that utilizes multiple current pairs with no gap measurement to provide accurate and precise force predictions. Previous methods for force measurement with AMBs rely on the controlled environment of a laboratory setting for accurate measurements. The goal of this work is to develop a robust force measurement procedure for use in industrial and field applications, as well as the laboratory. The harsh environment of a factory floor makes air gap measurements difficult, which limits the use of current-based force equations. Additionally, the flexibility of AMB-equipped thrust measurement systems (TMSs) to measure many types of forces with little to no reconfiguration or calibration makes them appealing. The multi-point method provides predictions of both shaft force and rotor position using only current pairs without air gap measurements. Static and dynamic load scenarios were investigated to determine the feasibility of this new approach to force measurement. For both, the effects of bearing load and rotor position within the bearing were analyzed. Under dynamic loading, different amounts of unbalance as well as various rotor speeds were used to provide multiple test cases. The multi-point predictions of rotor position were analyzed and compared with the measured rotor positions. It was shown that this new multiple-point method for measuring bearing loads with AMBs provides equivalent or better force predictions to analogous single-point methods for static loads while eliminating the need for measuring rotor position.
Master of Science

Many processes involving rotating machinery could benefit from the continuous feedback of force applied to the bearings that support the machinery. Such a system could be used to provide diagnostics for process monitoring in a manufacturing application or to provide information for machine health monitoring. Active Magnetic Bearings (AMBs) have the capability to act concurrently as a shaft force sensor and support bearing. This capability stems from the AMB's control system, which is designed to maintain a specific rotor position, regardless of forces acting on the rotor. Researchers have demonstrated the force sensing ability of AMBs; current state of the art methods typically rely on a direct measurement of magnetic flux density as provided by a Hall probe inserted in the magnetic field. In this work, a system identification approach to force measurement is proposed; the proposed approach is applicable to all active magnetic bearings and does not require Hall probes. Recent developments in system identification of bearing forces (Kasarda et al., 2000) indicate that a different approach is feasible. In the work of Marshall (Marshall et al., 2001), a variety of perturbations are applied to an AMB while the AMB controller signals are interrogated, no outside instrumentation such as force transducers or Hall probes are required. The work of Kasarda and Marshall is the starting point for the work presented here. The initial work was expanded to include a general characterization of air gap for any rotor position. Although this characterization relies on static testing to identify system parameters, the identified parameters can then be used in the measurement of dynamic forces. The identification procedure provides a measurement of effective air gap length. Effective gap length is used to infer the effective position of the rotor with respect to the stator. This measurement is made for several specific rotor locations. The relationship between the effective rotor positions provided by the identification and the rotor positions reported by the AMB system sensors establishes a coordinate transformation. The procedure is also applied at different shaft rotation angles. In this way rotor runout can be identified.
Ph. D.

Existing thrust measurement systems (TMSs) at NASA Stennis Space Center use strain gauges and flux plates to measure forces produced by a test article. Alignment and calibration can take two weeks or more every time a piece of hardware or test article is changed. Cross axis loading is also problematic because it is impossible to perfectly align the flex plates and strain gauges in the thrust direction. In response to these problems, a magnetically levitated thrust measurement system has been proposed and a 300lb capacity demonstrator has been designed and built. In this design, the magnetic bearings work concurrently as support bearings and force measurement devices. The demonstrator consists of a floating frame that is completely levitated within a fixed frame by four support bearings carrying loads in the x- and y-direction and seven thrust bearings carrying loads in the z- or thrust direction. Joe Imlach of Imlach Consulting Engineering designed the demonstrator and magnetic bearing components, while Virginia Tech's role has been the application of the multipoint calibration technique including code development, the implementation of a 128-channel data acquisition system, and the overall test verification of the TMS demonstrator.A turnbuckle assembly and magnetostrictive actuator are used in series with a conventional load cell for static and dynamic testing, respectively. Both current based and flux based force equations were used to measure the reaction forces at the bearings. The static results using the current based equations including the current based fringing equations resulted in accuracies of 93% of full load, while the static results using the flux based equations including the flux based fringing equations resulted in accuracies of 99.5% of full load. These accuracies can be compared to accuracies of 83-90% seen in previous work using magnetic bearings to measure forces by monitoring currents and to accuracies of about 99% in previous work using magnetic bearings to measure forces by monitoring fluxes. All of the improved accuracies were made possible through the implementation of a calibration technique known as the multipoint method and the implementation of a gap dependent fringing correction factor developed by Joe Imlach. The demonstrator was not outfitted with accelerometers so the inertia of the floating frame could not be accounted for, limiting the scope of dynamic testing. However, the tests confirmed the ability of the demonstrator to measure dynamic loads in general.
Master of Science

Directional control valves are widely used in hydraulic systems to control the flow direction and the flow rate. In order to design an actuator for such a valve a preliminary analysis of forces acting on the spool is necessary. The dominant axial force is the so called steady flow force, which is analysed within this study. For this purpose a 2/2-way spool valve with a sharp control edge was manufactured and investigated. CFD simulations were carried out to visualize the fluid flow inside the valve. The measured and simulated axial forces and pressure drops across the test valve are compared and show good qualitative correlation. However, the simulated values of axial forces are in average by 32 % lower compared with the measured ones. Therefore, the components of the axial force were scrutinized revealing a dominancy of the pressure force acting on ring areas in the spool chamber. Although CFD simulations are preferably used to save resources, the results of this study emphasise the importance of the experiments.

Aktionskräfte stellen wesentliche Risikofaktoren für die Entstehung von Erkrankungen im Finger-, Hand- und Armbereich dar. Daher ist die Erfassung und Analyse von Aktionskräften ein wichtiger Bestandteil der ergonomischen Bewertung von Arbeitsplätzen. Zur Erfassung von Aktionskräften, insbesondere in der Automobilproduktion, existiert bisher jedoch weder eine einheitliche noch eine systematische Vorgehensweise. Es mangelt an konkreten Forschungserkenntnissen über den Messaufbau, die Messdurchführung und die Messauswertung von Kraftfällen. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb ein erster Schritt unternommen, um die Erfassung von Aktionskräften auf Basis wissenschaftlich gestützter Erkenntnisse zu standardisieren. Hierzu werden insgesamt vier empirische Untersuchungen (zwei Vorstudien und zwei empirische Laborstudien) durchgeführt. In der ersten Studie (Kapitel 4) erfolgt eine Identifizierung der vorhandenen Arten von Kraftaufwendungen in verschiedenen Fertigungsbereichen der Automobilproduktion im Rahmen einer Dokumentenanalyse. In der zweiten Studie (Kapitel 5) wird der bedeutendste Fertigungsbereich ausgewählt, um darin eine Auszählung der Kraftaufwendungen anhand einer standardisierten Beobachtung definierter Arbeitsprozesse durchzuführen. Die dritte Untersuchung (Kapitel 6) ist als empirische Laborstudie konzipiert. Darin wird die technische Erfassung von Aktionskräften unter idealisierten Bedingungen ohne menschlichen Einfluss erprobt. In der vierten Untersuchung (Kapitel 7), ebenfalls als empirische Laborstudie konzipiert, werden spezifische Kraftaufwendungen im Labor systematisch durch Probanden nachgestellt und gemessen. Dabei wird das Vorgehen zur Durchführung und Auswertung von praxisnahen Kraftmessungen unter menschlichem Einfluss evaluiert. Die Erkenntnisse der Arbeit helfen dabei, bestehende Forschungsdefizite aufzuarbeiten und zu beheben. Sie stellen ferner eine Handlungshilfe für betriebliche Kraftanalysen sowie eine Orientierung für zukünftige Forschungsarbeiten dar
Action forces have been identified as risk factors. Therefore, the collection and analysis of action forces is an essential part of the ergonomic evaluation. Up to now, there was a lack of a standardized and systematic approach to evaluate action forces, especially in the automotive production. Thus, in the present thesis a methodical approach is described to evaluate action forces systematically. The thesis is divided into four studies. The first study contains the identification of the variety of action forces in the different manufacturing areas of automotive production. The second study describes the detailed analysis of action forces in the assembly shop, which is the manufacturing area with the highest count of action forces in the automotive production. The third study describes the direct measurement of action forces in laboratory conditions. The action forces are applied by a testing machine. The fourth study consists of the direct measurement of action forces, which are applied by subjects. Thereby, the methodical approach to perform direct measurements has been evaluated. The findings of the thesis can be used as a guideline, to evaluate action forces in the automotive production. Also the findings highlight the potential for further research projects

Die selbständige, gerichtete Bewegung von biologischen Zellen ist eine der grundlegendsten und komplexesten Erscheinungen der Natur. In höher entwickelten Lebewesen spielt die Zellbewegung eine wichtige Rolle, z.B. bei der Entwicklung des Organismus, bei der Funktion des Immunsystems aber auch bei der Metastase von Krebszellen. Die physikalischen Prozesse die dieser Fähigkeit zugrunde liegen, sind im Fokus dieser Arbeit. Um besser zu verstehen welche Prozesse im Einzelnen und in welcher Kombination den Zellen erlauben sich gerichtet fortzubewegen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein representatives Modellsystem von motilen Zellen untersucht. Fischkeratozyten bewegen sich in vitro regelmäßig und gleichförmig, relativ schnell über die Substratfläche, und stellen aus physikalischer Sicht eine optimierte, sich selbständig bewegende Polymermaschine dar. Um Kräfte in der Bewegungsebene der Zellen zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit eine neuartige, auf dem Rasterkraftmikroskop (RKM) basierende Methode entwickelt. Zusätzlich wurden hochaufgelöste, mit dem Phasenkontrastmikroskop aufgenommene Bilderserien analysiert und die Geschwindigkeitsverteilung in der Zelle durch Korrelationsalgorithmen bestimmt. Die Struktur des Polymernetzwerkes wurde in mit Fluoreszenzfarbstoff markierten Zellen untersucht, und elastische Eigenschaften wurden mit rheologischen RKM-Messungen bestimmt. Traktionskraftmessungen an elastischen Substraten runden das umfassende Bild ab. Durch Veränderung der molekularen Strukturen mit verschiedenen Chemikalien, die unterschiedliche Prozesse im Gesamtsystem stören, konnte nun ein Phasenraum der Kraftgenerierungsprozesse untersucht und unterschiedliche Effekte verschiedenen Prozessen eindeutig zugeordnet werden. Es wurde somit erstmalig experimentell bewiesen, dass die Polymerisation von Aktin die treibende Kraft am vorderen Rand der Zelle ist. Darüber hinaus wurde das Verhalten des Kraftaufbaus mit einem Model beschrieben, das Aufschluss über die Funktionsweise der darunterliegenden Aktinpolymerstrukturens gibt. Desweiteren wurde in der Mitte der Zelle, zwischen vorderem Rand und Zellkörper, erstmalig eine rückwärtsgerichtete Kraft gemessen, die wichtig ist um ein Kräftegleichgewicht zu erstellen. Ein Model das auf entropischen Kräften im Polymersystem basiert, beschreibt diese kontraktilen Kräfte und ordnet sie der Depolymerisation von Aktin zu. Die Bewegung des Zellkörpers wiederum basiert auf dem Zusammenspiel dieser beiden Mechanismen, sowie der Kontraktion von Aktin und Aktinbündeln durch molekulare Motoren. Eine umfassendes Charakterisierung über verschiedene lokale Mechanismen und ihrer Wechselwirkungen konnte somit erstellt werden, und damit das Verständnis der Kraftgenerierung zur Zellbewegung vertieft.

Les propriétés mécaniques des nanotubes membranaires (sans la présence du cytosquelette), en particulier la force nécessaire pour les former et les maintenir, sont maintenant bien comprises. Par contre, bien que dans la cellule les nanotubes soient souvent couplés à l’actine, son mécanisme d’action sur de telles structures est inconnu. L’objectif de cette thèse est donc de comprendre comment la dynamique de polymérisation de l’actine affecte la croissance et la stabilité des nanotubes de membrane et contribue à leur scission. Le projet consistera à adresser deux questions principales : - comment la force pour maintenir un nanotube de membrane évolue en présence du cytosquelette d’actine ? - comment la structure du réseau d’actine (taille de la maille, composition, dynamique) détermine les effets mécaniques observés ? La dynamique de l’actine stabilise-t-elle le nanotube ? Les forces générées par la polymérisation peuvent-elles provoquer une scission des nanotubes ? La structure du réseau d’actine permet-elle d’expliquer ces deux effets opposés ? Quel est l’effet de l’ajout de myosines, moteurs moléculaires capables de faire coulisser les filaments d’actine entre eux et de créer une contrainte mécanique supplémentaire dans le réseau ? Ces questions indissociables seront étudiées en collaboration entre les équipes de C. Sykes à l’Institut Curie (Paris), et de C. Campillo et S. Labdi au LAMBE (Evry)
The mechanics of membrane nanotubes (without the presence of the cytoskeleton), especially the force needed to form and maintain a nanotube, are now well understood. But, although in the cell the nanotubes are often coupled with actin, its action mechanism on such structures is unknown. The objective of this thesis is to understand how actin polymerization dynamics affect the growth and stability of membrane nanotubes and may contribute to their scission. The project will address two main questions: - How the force to maintain a membrane nanotube evolves in presence of a reconstituted actin cytoskeleton? - How the structure of the actin network (mesh size, composition, dynamic) determines its mechanical effect on the nanotube? Does actin dynamics stabilize the nanotube? Are the forces generated by actin polymerization able to cut nanotubes? Does the structure of the actin network explain these two opposite effects? What is the effect of adding myosins, molecular motors able to create additional mechanical stress in the network? These inseparable issues will be studied in collaboration between the teams of C. Sykes at the Institut Curie (Paris), and C. Campillo and S. Labdi in LAMBE (Evry)

La thématique étudiée dans ce mémoire est axée sur la préservation de la stabilité dynamique de véhicules évoluant en environnement naturel. En effet, la mobilité en milieu tout-terrain est une activité particulièrement pénible et dangereuse en raison de la nature difficile de l'environnement de conduite et de la reconfigurabilité des machines. Le caractère changeant et incertain des interactions rencontrées entre des véhicules à dynamique complexe et variable et leur environnement entraîne régulièrement des risques accrus de renversement et/ou de perte de contrôle (dévalement, dérapage déclenché par une perte soudaine d'adhérence) pour le conducteur. Une forte accidentalité mortelle est, en effet, recensée dans ce secteur, en particulier, dans le milieu agricole ou le renversement de véhicule est classé comme étant la première cause de mortalité au travail. A l'heure actuelle, les approches existantes sur la stabilité d'engins agricoles sont qualifiées à juste titre de passives car elles ne permettent pas d'éviter que les accidents ne se produisent. Par ailleurs, la transposition directe des solutions de sécurité active du secteur de l'automobile (ABS, ESP) s'est révélée inadaptée aux véhicules tout-terrain a cause des hypothèses simplificatrices (routes plates et homogènes, conditions d'adhérence constantes, etc.) dont souffre la conception de ces dispositifs. Ainsi, le développement de systèmes actifs de sécurité prenant en compte les spécificités de la conduite en milieu tout-terrain se révèle être la meilleure voie d'amélioration à suivre. Eu égard à ces circonstances, ce projet se propose d'adresser cette problématique en étudiant des métriques de stabilité pertinentes permettant d'estimer et d'anticiper en temps réel les risques afin de permettre des actions correctives pour la préservation de l'intégrité des machines tout-terrain. Afin de faciliter l'industrialisation du dispositif actif de sécurité conçu, l'une des contraintes sociétales et commerciales de ce projet a été l'utilisation de capteurs compatibles avec le coût des machines visées. L'objectif ambitieux de cette étude a été atteint par différentes voies. En premier lieu, une approche de modélisation multi-échelle a permis de caractériser l'évolution dynamique de véhicules en milieu tout-terrain. Cette approche à dynamique partielle a offert l'avantage de développer des modèles suffisamment précis pour être représentatifs du comportement réel de l'engin mais tout en présentant une structure relativement simple permettant la synthèse d'asservissements performants. Puis, une étude comparative des avantages et des inconvénients des trois grandes familles de métriques répertoriées dans la littérature a permis de mettre en exergue l'intérêt des métriques analytiques à modèle dynamique par rapport aux catégories de critères de stabilité dits statiques et empiriques. Enfin, l'analyse approfondie des métriques dynamiques a facilité le choix de trois indicateurs (Lateral and Longitudinal Load Transfer (LLT), Force Angle Stability Measurement (FASM) et Dynamic Energy Stability Measurement (DESM)) qui sont représentatifs d'un risque imminent de renversement du véhicule. La suite du mémoire s'appuie sur la théorie d'observation pour l'estimation en ligne des variables non directement mesurables en milieu tout-terrain telles que les rigidités de glissement et dérive du pneumatique. Jumelée aux différents modèles dynamiques du véhicule, la synthèse d'observateurs a permis donc d'estimer en temps réel les efforts d'interaction pneumatiques-sol nécessaires à l'évaluation des indicateurs d'instabilité. Le couplage de ces modèles multi-échelles à la théorie d'observation a ainsi constitué un positionnement original à même de briser la complexité de la caractérisation de la stabilité de véhicules à dynamiques complexes et incertaines. (...)
This work is focused on the thematic of the maintenance of the dynamic stability of off-road vehicles. Indeed, driving vehicles in off-road environment remains a dangerous and harsh activity because of the variable and bad grip conditions associated to a large diversity of terrains. Driving difficulties may be also encountered when considering huge machines with possible reconfiguration of their mechanical properties (changes in mass and centre of gravity height for instance). As a consequence, for the sole agriculture sector, several fatal injuries are reported per year in particular due to rollover situations. Passive protections (ROllover Protective Structure - ROPS) are installed on tractors to reduce accident consequences. However, protection capabilities of these structures are very limited and the latter cannot be embedded on bigger machines due to mechanical design limitations. Furthermore, driving assistance systems (such as ESP or ABS) have been deeply studied for on-road vehicles and successfully improve safety. These systems usually assume that the vehicle Center of Gravity (CG) height is low and that the vehicles are operating on smooth and level terrain. Since these assumptions are not satisfied when considering off-road vehicles with a high CG, such devices cannot be applied directly. Consequently, this work proposes to address this research problem by studying relevant stability metrics able to evaluate in real time the rollover risk in order to develop active safety devices dedicated to off-road vehicles. In order to keep a feasible industrialization of the conceived active safety device, the use of compatible sensors with the cost of the machines was one of the major commercial and societal requirements of the project. The ambitious goal of this study was achieved by different routes. First, a multi-scale modeling approach allowed to characterize the dynamic evolution of off-road vehicles. This partial dynamic approach has offered the advantage of developing sufficiently accurate models to be representative of the actual behavior of the machine but having a relatively simple structure for high-performance control systems. Then, a comparative study of the advantages and drawbacks of the three main families of metrics found in the literature has helped to highlight the interest of dynamic stability metrics at the expense to categories of so-called static and empirical stability criteria. Finally, a thorough analysis of dynamic metrics has facilitated the choice of three indicators (Longitudinal and Lateral Load Transfer (LLT), Force Angle Stability Measurement (FASM) and Dynamic Energy Stability Measurement (DESM)) that are representative of an imminent rollover risk. The following of the document is based on the observation theory for estimating online of variables which are not directly measurable in off-road environment such as slip and cornering stiffnesses. Coupled to the dynamic models of the vehicle, the theory of observers has helped therefore to estimate in real time the tire-soil interaction forces which are necessaries for evaluating indicators of instability. The coupling of these multiscale models to the observation theory has formed an original positioning capable to break the complexity of the characterization of the stability of vehicles having complex and uncertain dynamics. (...)

Dissertation is focused on the application of optical measurement methods using techniques of optical microscopy and fluorescence microscopy in measurements of electromechanical characteristics of isolated cardiac cells and clusters of differentiated cardiomyocytes. The first proposed method uses a practical combination of fluorescence microscopy equipped with fluorescent fast and high-resolution camera and atomic force microscopy for simultaneous measurement of calcium transients and contraction of cardiomyocyte clusters. The signals obtained undergoes filtration, processing and analysis. Result function parameters obtained by analyzing signals after application of caffeine are evaluated by comparison with functional parameters obtained during the control measurement. The second proposed method is applied to the cardiomyocyte clusters for the purpose of cardiomyocyte contraction signals measurement. The signals obtained by optical methods are analyzed and compared with the reference signal obtained using atomic force microscopy. Optical measurement method of cell contractins based on detection of cell ends using adjusting of microscopy images by re-sharpening and fluorescence method for cardiomyocyte contractions measurements were designed to increase realiability in simultaneous measurement of cell contractions simultaneously with calcium transients in isolated cardiomyocytes experiments.

The diploma thesis is focused on the measurement of forces acting between the tire and the road. There is an outline of tire and tire models problematic in the opening part. In the following part, the rear right suspension of the formula student car was mounted with strain gauges and the data logging system was described. There is also a multi-body model of the rear axle created in Adams/Car and SAMS software, that is able to calculate forces acting between the tire and the road, taking the measured forces in the suspension, rocker position, and throttle position into consideration. After a series of calibrations and verification measurements, the measurement on the test track was made, with data analysis focused on forces acting between the tire and the road.

碩士
明志科技大學
機電工程研究所
95
We used the IR Laser to trap and manipulate particles and hemocytes in the different medium and the influence between the object and viscosity of medium can be measured by experimentation. We installed an “inverted-embedded optical tweezers system” that combined the optical tweezers and the inverted microscopy, and possessed the ability to observe and manipulate simultaneously. The content contains the introduction of optical tweezers and the setup and results of experiment. We test the feasibility of this study by using visible laser and fluorescent beads which are easier to be observed in the installing stage. Then, in the process of experiment, we applied a less harmful IR laser for the biological object as the light source. Finally, we compared with their acting force. The goal of this experiment is to trap hemocytes by optical tweezers in blood (serum) and measured their acting force reliably. It was obtained that the acting force constant K=38.9nN/μm, acting force F=0.554pN and the influence radius was 14.2μm when the 6μm bead suspended in water and the power source was 6.5mW. The constant K=56.4nN/μm, force F=0.368pN and the influence radius was 6.51μm when the 9μm WBC (White Blood Cell) cell suspended in serum and the power source was 4.5mW. The constant K=12.8nN/μm, force F=0.168pN and the influence radius was 12.61μm when the 12μm blood cancer cell suspended in water and the power source was 4.5mW. The acting force would be enhanced when the laser’s power was increased and the acting force of the object suspend in serum would be larger than that suspend in water at the same conditions.

Aktionskräfte stellen wesentliche Risikofaktoren für die Entstehung von Erkrankungen im Finger-, Hand- und Armbereich dar. Daher ist die Erfassung und Analyse von Aktionskräften ein wichtiger Bestandteil der ergonomischen Bewertung von Arbeitsplätzen. Zur Erfassung von Aktionskräften, insbesondere in der Automobilproduktion, existiert bisher jedoch weder eine einheitliche noch eine systematische Vorgehensweise. Es mangelt an konkreten Forschungserkenntnissen über den Messaufbau, die Messdurchführung und die Messauswertung von Kraftfällen. In der vorliegenden Arbeit wird deshalb ein erster Schritt unternommen, um die Erfassung von Aktionskräften auf Basis wissenschaftlich gestützter Erkenntnisse zu standardisieren. Hierzu werden insgesamt vier empirische Untersuchungen (zwei Vorstudien und zwei empirische Laborstudien) durchgeführt. In der ersten Studie (Kapitel 4) erfolgt eine Identifizierung der vorhandenen Arten von Kraftaufwendungen in verschiedenen Fertigungsbereichen der Automobilproduktion im Rahmen einer Dokumentenanalyse. In der zweiten Studie (Kapitel 5) wird der bedeutendste Fertigungsbereich ausgewählt, um darin eine Auszählung der Kraftaufwendungen anhand einer standardisierten Beobachtung definierter Arbeitsprozesse durchzuführen. Die dritte Untersuchung (Kapitel 6) ist als empirische Laborstudie konzipiert. Darin wird die technische Erfassung von Aktionskräften unter idealisierten Bedingungen ohne menschlichen Einfluss erprobt. In der vierten Untersuchung (Kapitel 7), ebenfalls als empirische Laborstudie konzipiert, werden spezifische Kraftaufwendungen im Labor systematisch durch Probanden nachgestellt und gemessen. Dabei wird das Vorgehen zur Durchführung und Auswertung von praxisnahen Kraftmessungen unter menschlichem Einfluss evaluiert. Die Erkenntnisse der Arbeit helfen dabei, bestehende Forschungsdefizite aufzuarbeiten und zu beheben. Sie stellen ferner eine Handlungshilfe für betriebliche Kraftanalysen sowie eine Orientierung für zukünftige Forschungsarbeiten dar.
Action forces have been identified as risk factors. Therefore, the collection and analysis of action forces is an essential part of the ergonomic evaluation. Up to now, there was a lack of a standardized and systematic approach to evaluate action forces, especially in the automotive production. Thus, in the present thesis a methodical approach is described to evaluate action forces systematically. The thesis is divided into four studies. The first study contains the identification of the variety of action forces in the different manufacturing areas of automotive production. The second study describes the detailed analysis of action forces in the assembly shop, which is the manufacturing area with the highest count of action forces in the automotive production. The third study describes the direct measurement of action forces in laboratory conditions. The action forces are applied by a testing machine. The fourth study consists of the direct measurement of action forces, which are applied by subjects. Thereby, the methodical approach to perform direct measurements has been evaluated. The findings of the thesis can be used as a guideline, to evaluate action forces in the automotive production. Also the findings highlight the potential for further research projects.

An AFM relative stiffness technique was applied to reconstituted Beta vulgaris L. wax films. Consecutive force arrays (n=100) made on the waxy surface at the same locations showed that there was no relative change in surface elasticity and this information was used as a reference to further experimental measurements. A surfactant solution was subsequently dropped on the waxy surface and the same array of indents was made at the same location as the reference test. The plant wax surface showed a reduction in its surface elasticity properties. The study has demonstrated that the AFM technique could be used to undertake a systematic assessment of the plasticising effects of agrochemicals on native and reconstituted plant wax films.

Die selbständige, gerichtete Bewegung von biologischen Zellen ist eine der grundlegendsten und komplexesten Erscheinungen der Natur. In höher entwickelten Lebewesen spielt die Zellbewegung eine wichtige Rolle, z.B. bei der Entwicklung des Organismus, bei der Funktion des Immunsystems aber auch bei der Metastase von Krebszellen. Die physikalischen Prozesse die dieser Fähigkeit zugrunde liegen, sind im Fokus dieser Arbeit. Um besser zu verstehen welche Prozesse im Einzelnen und in welcher Kombination den Zellen erlauben sich gerichtet fortzubewegen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein representatives Modellsystem von motilen Zellen untersucht. Fischkeratozyten bewegen sich in vitro regelmäßig und gleichförmig, relativ schnell über die Substratfläche, und stellen aus physikalischer Sicht eine optimierte, sich selbständig bewegende Polymermaschine dar. Um Kräfte in der Bewegungsebene der Zellen zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit eine neuartige, auf dem Rasterkraftmikroskop (RKM) basierende Methode entwickelt. Zusätzlich wurden hochaufgelöste, mit dem Phasenkontrastmikroskop aufgenommene Bilderserien analysiert und die Geschwindigkeitsverteilung in der Zelle durch Korrelationsalgorithmen bestimmt. Die Struktur des Polymernetzwerkes wurde in mit Fluoreszenzfarbstoff markierten Zellen untersucht, und elastische Eigenschaften wurden mit rheologischen RKM-Messungen bestimmt. Traktionskraftmessungen an elastischen Substraten runden das umfassende Bild ab. Durch Veränderung der molekularen Strukturen mit verschiedenen Chemikalien, die unterschiedliche Prozesse im Gesamtsystem stören, konnte nun ein Phasenraum der Kraftgenerierungsprozesse untersucht und unterschiedliche Effekte verschiedenen Prozessen eindeutig zugeordnet werden. Es wurde somit erstmalig experimentell bewiesen, dass die Polymerisation von Aktin die treibende Kraft am vorderen Rand der Zelle ist. Darüber hinaus wurde das Verhalten des Kraftaufbaus mit einem Model beschrieben, das Aufschluss über die Funktionsweise der darunterliegenden Aktinpolymerstrukturens gibt. Desweiteren wurde in der Mitte der Zelle, zwischen vorderem Rand und Zellkörper, erstmalig eine rückwärtsgerichtete Kraft gemessen, die wichtig ist um ein Kräftegleichgewicht zu erstellen. Ein Model das auf entropischen Kräften im Polymersystem basiert, beschreibt diese kontraktilen Kräfte und ordnet sie der Depolymerisation von Aktin zu. Die Bewegung des Zellkörpers wiederum basiert auf dem Zusammenspiel dieser beiden Mechanismen, sowie der Kontraktion von Aktin und Aktinbündeln durch molekulare Motoren. Eine umfassendes Charakterisierung über verschiedene lokale Mechanismen und ihrer Wechselwirkungen konnte somit erstellt werden, und damit das Verständnis der Kraftgenerierung zur Zellbewegung vertieft.

Die Zellform ist wichtig für die Ausübung der Zellfunktion und spielt darüberhinaus eine essenzielle Rolle bei der Entwicklung eines Zellhaufens zu einem mehrzelligen Organismus. Dabei wird die Zellform neben biochemischen auch von biophysikalischen Prozessen beeinflusst: Zellkräfte sind ebenso beteiligt wie räumliche Einschränkung. Der Umfang der Wechselwirkung zwischen Umgebung, Zellform und Zellfunktion ist jedoch im Detail oft unverstanden. Ziel dieser Arbeit war daher, eine umfassende Charakterisierung von Zellen in räumlicher Einschränkung durchzuführen, um Aussagen zur Beeinflussung von Zellmorphologie und der Kraftentwicklung zu gewinnen. In dieser Arbeit wurde die Reaktion humaner Primärzellen (HUVECs) auf laterale Einschränkung untersucht. Die Zellen wurden dafür sowohl auf Glas- als auch auf Hydrogel-Substraten kultiviert, die mittels Mikrokontaktdruck von Fibronektin mit Streifenmustern im Breitenbereich von 5μm bis 80μm strukturiert worden waren. Die Zellen wurden nach der Phase der initialen Adhäsion (> 1 h) hinsichtlich ihrer allgemeinen Morphologie, des Erscheinungsbildes ihres Aktinskeletts und ihres Zellzugkraftverhaltens quantitativ beschrieben. Zusätzlich erfolgten Lebendzellmessungen, um die Dynamik des Aktinskeletts und der Zellzugkräfte zu charakterisieren. Die laterale Einschränkung führte zur strukturellen und funktionellen Adaption der Zellen. Da die Zelllänge nur geringfügig von der Streifenbreite abhing, kam es durch die seitliche Einschränkung zu einer Flächenabnahme bei gleichzeitiger Erhöhung des Zellseitenverhältnisses, wovon auch der Zellkern betroffen war. Die Ausrichtung der Aktinfasern korrelierte stark mit der Zellelongation und Zellen auf schmalen Streifen zeigten ein geringer vernetztes Aktinskelett. Messungen der Aktindynamik ergaben einen einwärts gerichteten Transport von Stressfasern. Weiterhin wurde eine Abnahme der Zugkräfte mit zunehmender Einschränkung gemessen, während gleichzeitig eine Polarisierung der Zugkräfte stattfand. Das beobachtete Verhalten der struktur- und funktionsbezogenen Zellparameter konnte gut durch die laterale Einschränkung erklärt werden, sodass die vorliegende Arbeit zu einem besseren Verständnis der Zellanpassung an räumliche Einschränkung beitragen konnte.
Proper cell shape is a precondition for the proper performance of specialized cells and changes of cell shape are paramount for the development from a cell cluster to an adult organism. Cell shape can be regulated biochemically and also biophysically, e. g., by involvement of cellular force generation and spatial confinement. However, the understanding of the interaction between exterior space, cellular form, and function is incomplete. Therefore, the aim of this thesis was to thoroughly characterize cells in spatial confinement in order to better understand how cell morphology and force generation can be linked. During the course of this work, the adaptation of human primary cells (HUVECs) to lateral constraints was investigated. Cells were seeded on both glass and hydrogel substrates which had been micropatterned with fibronectin by microcontact printing. The structures were composed of stripes with varying width (5–80 μm). After initial adhesion had taken place (> 1 h), cell morphology, actin cytoskeleton architecture, and cell traction forces were quantified. In addition, measurements were performed on live cells in order to better understand the dynamics of the actin cytoskeleton and the cell traction forces. Laterally confined cells showed both structural and functional changes. Because cell length was only weakly dependent on stripe width, cells in strong lateral confinement were highly elongated and had decreased spread areas, which also affected the nucleus. The orientation of actin fibers was strongly linked to cell elongation. In cells on narrow stripes, a reduced actin cytoskeleton was observed, i.e., with a lower degree of interconnectivity. Time resolved analysis revealed an inward transport of actin fibers. Furthermore, cell force generation was shown to be impaired on narrow stripes, most likely due to decreased cell spread area. At the same time, force polarization strongly increased in cells in strong lateral confinement. This study demonstrated how various cellular parameters, both linked to cell structure and function, are influenced by lateral confinement and by each other, thereby contributing to a better understanding of cell adaptation to spatial constraint.