Dissertationen zum Thema „Bistabilní“

Spatio-temporal control of the self-ordered structures by use of the time-dependent oscillatory fields of zero-time average, either deterministic (temporally regular) or noisy (temporally irregular) ones, has today become a fundamental field of multidisciplinary research in a wide variety of the highly nonlinear systems of the different physical origin. The self-ordered bistable fronts in the essentially dissipative systems of the reaction-diffusion type, that are formulated by parabolic partial differential equations, are investigated in the dissertation. The objective of the research is to investigate new possibilities of controlling the directed net motion of the self-ordered bistable fronts by the deterministic and stochastic zero-mean ac forces using computer modeling and analytic tools. In order to achieve the objective mathematical and numerical models were applied, computer software was created and new possibilities of controlling the directed net motion of bistable fronts by use of the zero-average periodic, quasi-periodic and bounded noise fields were investigated.
Savaime susidarančių lokalizuotų struktūrų valdymas deterministiškai (reguliariai) arba stochastiškai (atsitiktinai) osciliuojančiais laukais, kurių vidutinė vertė yra nulis, yra plačiai paplitęs įvairiose terpėse. Disertacijoje nagrinėjami savame susidarantys bistabilūs frontai disipatyviose sistemose, kurios aprašomos netiesinėmis parabolinėmis diferencialinėmis lygtimis su dalinėmis išvestinėmis. Disertacijos tikslas yra ištirti kryptingo bistabilių frontų dreifo valdymo nuliniais laukais galimybes, taikant kompiuterinį modeliavimą bei analitinius metodu. Tikslui pasiekti buvo sudaryti matematinis bei skaitinis modeliai, sukurta programinė įranga ir skaitiškai ištirtos savaiminių bistabilių frontų valdymo galimybės, naudojant periodinius, kvaziperiodinius ir stochastinius nulinius laukus.

Savaime susidarančių lokalizuotų struktūrų valdymas deterministiškai (reguliariai) arba stochastiškai (atsitiktinai) osciliuojančiais laukais, kurių vidutinė vertė yra nulis, yra plačiai paplitęs įvairiose terpėse. Disertacijoje nagrinėjami savame susidarantys bistabilūs frontai disipatyviose sistemose, kurios aprašomos netiesinėmis parabolinėmis diferencialinėmis lygtimis su dalinėmis išvestinėmis. Disertacijos tikslas yra ištirti kryptingo bistabilių frontų dreifo valdymo nuliniais laukais galimybes, taikant kompiuterinį modeliavimą bei analitinius metodu. Tikslui pasiekti buvo sudaryti matematinis bei skaitinis modeliai, sukurta programinė įranga ir skaitiškai ištirtos savaiminių bistabilių frontų valdymo galimybės, naudojant periodinius, kvaziperiodinius ir stochastinius nulinius laukus.
Spatio-temporal control of the self-ordered structures by use of the time-dependent oscillatory fields of zero-time average, either deterministic (temporally regular) or noisy (temporally irregular) ones, has today become a fundamental field of multidisciplinary research in a wide variety of the highly nonlinear systems of the different physical origin. The self-ordered bistable fronts in the essentially dissipative systems of the reaction-diffusion type, that are formulated by parabolic partial differential equations, are investigated in the dissertation. The objective of the research is to investigate new possibilities of controlling the directed net motion of the self-ordered bistable fronts by the deterministic and stochastic zero-mean ac forces using computer modeling and analytic tools. In order to achieve the objective mathematical and numerical models were applied, computer software was created and new possibilities of controlling the directed net motion of bistable fronts by use of the zero-average periodic, quasi-periodic and bounded noise fields were investigated.

Tato diplomová práce je zaměřena na analýzu chování magnetopiezoelastického kmitajícího nosníku. V teoretické části jsou odvozeny diskretizované parametry, které popisují reálnou soustavu jako model s jedním stupněm volnosti. Tento model je následně použit pro kvalitativní i kvantitativní analýzu chování tohoto harvesteru. Frekvenční odezva harmonicky buzeného systému je zkoumána v dvouparametrické nebo tříparametrické analýze v závislosti na amplitudě buzení, elektrické zátěži a vzdálenosti mezi magnety. Posledně zmíněný parametr je v práci tím hlavním, proto je vliv vzdálenosti magnetů zkoumán také s pomocí bifurkačních diagramů. Tyto diagramy byly navíc použity k vytvoření oscilační "mapy", která pro každé zatěžovací podmínky ukazuje, jakou vzdálenost magnetů je třeba nastavit, aby bylo generováno nejvíce energie. Práce je doplněna o ukázky několika jevů, které mohou značně ovlivnit chování systému, pokud se nejdená o čistě harmonické buzení.

The use of small satellites is rapidly growing, especially satellites with masses between 1 and 10 kg and few litres of volume. The main reasons are due to the low development time and cost. Electronics miniaturization and high density integration is enabling the small satellites class to perform more and better tasks and at a lower cost. When deployable structures are required for the missions, the actual paradigm is that there are very few that have been successfully developed and flown. It is usually not possible to scale down existing deployable structures from larger satellites. Power and attitude control is also very limited in small satellites thus, completely new deployable structures, low mass and with high packaging ratio (yet large and with adequate mechanical properties when deployed) must be developed. Furthermore, such new structures are usually made of very thin and light materials which complicates the on-ground tests prior the launch. Therefore, advances in modelling and simulation deployable structures such as booms are also of great interest for the scientific community. This thesis and the papers included herein focus on the finite element modelling of a meter-class passively deployable boom – based on the SIMPLE boom by Thomas W. Murphey – and deployment simulations. Experimental tests were also carried on a boom prototype suspended from a gravity off-loading system. An analytical model produced certain parameters which are used for validation of the finite element model. The strain energy stored in the boom prior to deployment and spacecraft displacements during deployment agreed well. The deployment time, however, have discrepancies: the models predicted a deployment time six times faster than the experimental tests. For that reason the deployment simulations cannot be compared with the tests. The reason of the discrepancies are believed to be due to the actual material model and the contacts formulation used in the finite element model. The finite element simulations, however, shows a reasonable behaviour given the nature of the deployment thus, despite the necessary improvements, we believe that future improvements in the material and friction models will provide us more realistic results.
Användningen av små satelliter ökar snabbt, särskilt satelliter med en vikt på mellan 1 och 10 kg och bara några liters volym. De främsta orsakerna till detta är den korta utvecklingstiden och den låga kostnaden. Elektronikminiatyrisering och hög integreringsdensitet möjliggör för små satelliter att utföra fler och bättre uppgifter till en lägre kostnad. När utfällbara strukturer krävs för uppdragen är nuvarande läge att det är få som utvecklats och flugits framgångsrikt. Det är inte heller alltid möjligt att skala ner utfällbara strukturer som utformats för användning i större satelliter. I små satelliter är den tillgängliga elektriska energin och volymen starkt begränsade faktorer och därmed måste helt nya passivt utfällbara strukturer med låg vikt och liten packningsvolym, men ändå rätt storlek och mekaniska egenskaper när de är utfällda, utvecklas. Dessa strukturer är vanligen tillverkade av mycket tunna och lätta material, som komplicerar tester innan uppskjutningen p.g.a. tyngdkraften. Därför är det av stort intresse att noggrant kunna modellera och simulera ett tyngdlöst utfällningsförlopp. Denna licentiatuppsats och bilagda artiklar i fokuserar på finit elementmodellering och utfällningssimuleringar av en 1 meter lång passivt utfällbar bom baserad på SIMPLE-bommen som utformats av Thomas W. Murphey. Utfällningsexperiment har utförts på en prototyp av bommen upphängd i ett tyngdkraftskompenserande system. Analytiska modeller har använts för att validera simuleringarna och töjningsenergin som lagrats i bommen innan utfällning och rymdfarkostens förflyttning efter utfällning överensstämmer väl. Utfällningstiden avviker dock och båda modellerna predikterar en utfällningstid som är sex gånger snabbare än den tiden som observeras i experimenten. Anledningen till skillnaderna antas delvis bero på begränsningar i den använda materialmodellen och i algoritmer för hantering av kontakt i den finita elementmodellen. De finite elementsimuleringarna visar dock ett rimligt dynamisk beteende hos bommen baserat på vad som observerats i experimenten och även om modellen är i behov av förbättring så finns det stora förhoppningar att åstadkomma en mer realistisk modell genom införande av förbättrade kontakalgoritmer och nogrannare modellering av dämpning och friktion.

QC 20130506

Synaptic long-term modifications following neuronal activation are believed to be at the origin of learning and long-term memory. Recent experiments suggest that these long-term synaptic changes are all-or-none switch-like events between discrete states of a single synapse. The biochemical network involving calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) and its regulating protein signaling cascade has been hypothesized to durably maintain the synaptic state in form of a bistable switch. Furthermore, it has been shown experimentally that CaMKII and associated proteins such as protein kinase A and calcineurin are necessary for the induction of long-lasting increases (long-term potentiation, LTP) and/or long-lasting decreases (long-term depression, LTD) of synaptic efficacy. However, the biochemical mechanisms by which experimental LTP/LTD protocols lead to corresponding transitions between the two states in realistic models of such networks are still unknown. We present a detailed biochemical model of the calcium/calmodulin-dependent autophosphorylation of CaMKII and the protein signaling cascade governing the dephosphorylation of CaMKII. As previously shown, two stable states of the CaMKII phosphorylation level exist at resting intracellular calcium concentrations. Repetitive high calcium levels switch the system from a weakly- to a highly phosphorylated state (LTP). We show that the reverse transition (LTD) can be mediated by elevated phosphatase activity at intermediate calcium levels. It is shown that the CaMKII kinase-phosphatase system can qualitatively reproduce plasticity results in response to spike-timing dependent plasticity (STDP) and presynaptic stimulation protocols. A reduced model based on the CaMKII system is used to elucidate which parameters control the synaptic plasticity outcomes in response to STDP protocols, and in particular how the plasticity results depend on the differential activation of phosphatase and kinase pathways and the level of noise in the calcium transients. Our results show that the protein network including CaMKII can account for (i) induction - through LTP/LTD-like transitions - and (ii) storage - due to its bistability - of synaptic changes. The model allows to link biochemical properties of the synapse with phenomenological 'learning rules' used by theoreticians in neural network studies.

Synaptic long-term modifications following neuronal activation are believed to be at the origin of learning and long-term memory. Recent experiments suggest that these long-term synaptic changes are all-or-none switch-like events between discrete states of a single synapse. The biochemical network involving calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) and its regulating protein signaling cascade has been hypothesized to durably maintain the synaptic state in form of a bistable switch. Furthermore, it has been shown experimentally that CaMKII and associated proteins such as protein kinase A and calcineurin are necessary for the induction of long-lasting increases (long-term potentiation, LTP) and/or long-lasting decreases (long-term depression, LTD) of synaptic efficacy. However, the biochemical mechanisms by which experimental LTP/LTD protocols lead to corresponding transitions between the two states in realistic models of such networks are still unknown. We present a detailed biochemical model of the calcium/calmodulin-dependent autophosphorylation of CaMKII and the protein signaling cascade governing the dephosphorylation of CaMKII. As previously shown, two stable states of the CaMKII phosphorylation level exist at resting intracellular calcium concentrations. Repetitive high calcium levels switch the system from a weakly- to a highly phosphorylated state (LTP). We show that the reverse transition (LTD) can be mediated by elevated phosphatase activity at intermediate calcium levels. It is shown that the CaMKII kinase-phosphatase system can qualitatively reproduce plasticity results in response to spike-timing dependent plasticity (STDP) and presynaptic stimulation protocols. A reduced model based on the CaMKII system is used to elucidate which parameters control the synaptic plasticity outcomes in response to STDP protocols, and in particular how the plasticity results depend on the differential activation of phosphatase and kinase pathways and the level of noise in the calcium transients. Our results show that the protein network including CaMKII can account for (i) induction - through LTP/LTD-like transitions - and (ii) storage - due to its bistability - of synaptic changes. The model allows to link biochemical properties of the synapse with phenomenological 'learning rules' used by theoreticians in neural network studies.

Viele Mikroaktoren dienen der Interaktion eines technischen Systems mit einer makroskopischen Umgebung. Im Gegensatz zu Mikrosensoren sind sie daher nicht beliebig miniaturisierbar. Bei lateralen Abmessungen im Millimeterbereich ist eine Kostenreduzierung daher nur durch robuste Fertigungsprozesse und kostengünstige Werkstoffe in Verbindung mit einem speziell darauf angepassten Systemkonzept möglich. Diese Aspekte sind Gegenstand der vorliegenden Arbeit und werden am Beispiel eines auf elektrothermischer polymerer Mikroaktorik basierenden bistabilen Mikrorelais erforscht. Der bis ins Jahr 1978 zurückreichende Stand der Technik umfasst mehr als 80 Mikrorelaiskonzepte, wobei bis heute keine kommerzielle Variante bekannt ist, die auf Grund annähernd vergleichbarer Eigenschaften als Ersatz für klassische Signalrelais (z.B. Tyco Axicom P1 V23026) Anwendung findet. Basierend auf einer Analyse der veröffentlichten Konzepte, dem Einbeziehen von alternativen Werkstoffen und dem Kombinieren von feinmechanischen und mikrotechnischen Fertigungstechnologien, wird ein neuartiges, elektrothermisch aktuiertes, magnetostatisch bistabiles Mikrorelais samt robustem Herstellungsprozess entwickelt. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der eingesetzten polymeren Mikroaktorik. Diese muss einerseits eine Kontaktkraft > 6 mN für einen stabilen Kontaktwiderstand < 50 mOhm und andererseits einen Stellweg > 30 µm für eine ausreichende Isolationsfestigkeit > 500 V bei geringem Bauraum (< 1 x 4 x 0,3 mm³) zur Verfügung stellen. Die thermischen Ausdehnungskörper sind zur Kompensation von Umgebungstemperaturänderungen als Pseudo-Bimorph ausgelegt und werden aus dem epoxidbasierten Negativphotoresist SU-8 mittels UV-Tiefenlithographie gefertigt. Die Funktionsintegration des bistabilen Haltemechanismus und des elektrischen Kontaktsystems wird durch die gleichzeitige Nutzung der magnetischen und elektrischen Eigenschaften mikrogalvanisch strukturierter Nickelelemente realisiert. Miniaturmagnete erzeugen das erforderliche Magnetfeld, weshalb das Mikrorelais außerhalb der Schaltvorgänge keine elektrische Leistung aufnimmt. Der bei Mikrosystemen große Anteil des Gehäuses am Gesamtbauraum sinkt deutlich beim Übergang zu einer Schaltmatrix, bei der nur ein Gehäuse für alle auf dem Substrat befindlichen Einzelrelais benötigt wird. Im Rahmen der Arbeit entsteht ein analytisch geschlossenes Modell zur statischen und dynamischen Beschreibung der polymeren Mikroantriebe, das mit numerischen Finite-Elemente-Rechnungen (ANSYS) und umfangreichen Messungen an aufgebauten Demonstratoren sehr gut übereinstimmt. Zur Beschreibung des magnetostatisch bistabilen Kontaktsystems wird die analytische Herleitung der qualitativen Kraftwirkung erarbeitet. Die absoluten Kraftbeträge werden auf Grund der komplexen Magnetfeldgeometrie numerisch (CST EM Studio) ermittelt. In beiden Fällen ist der Einfluss aller Parameter auf die Mikroaktorik bzw. auf das Kontaktsystem ausführlich diskutiert. Im Bereich der Technologieforschung werden alternative Substratmaterialien zum Silizium wie FR-4 und Keramik und die Auswirkungen auf die Fertigungsprozesse untersucht. Neben der Kombination von Verfahren der Feinmechanik und der Mikrotechnik sind auch der Einsatz unempfindlicher Mikrogalvanik mit wartungsarmen Nickel- und Kupferelektrolyten und die Prozessoptimierung im Bereich der UV-Tiefenlithographie mit Schichtdicken > 200 µm zentrale Aspekte dieser Arbeit. Insgesamt werden acht unterschiedliche Demonstratorversionen auf über 350 4-Zoll-Substraten im institutseigenen Reinraum eigenhändig gefertigt. Ergebnisse sind unter anderem die vollständige Charakterisierung der polymeren Mikroaktorik, der bistabilen Mikrorelais und der darauf basierenden Schaltmatrizen. Die Mikroaktoren weisen typische Kennwerte von 29 mN Blockierkraft und 60 µm Leerlaufauslenkung bei einer Steuerleistung von 120 mW auf. Langzeituntersuchungen der aufgebauten Mikrorelais konnten mit über zwei Millionen nachgewiesenen Schaltspielen ohne einen Ausfall erfolgreich absolviert werden. Der Kontaktwiderstand der Relais liegt bei einer Kontaktkraft von ca. 9 mN im Bereich < 30 mOhm, was das Schalten eines Stromes > 1,5 A bei 5 V an Luft ermöglicht. Die Kombination aus robuster Fertigungstechnologie und neuartigem Relaiskonzept ermöglicht es erstmals, mit dem vorgestellten Mikrorelais an die Kennwerte von klassischen Signalrelais heran zu reichen. Die vorliegende Arbeit zeigt das Potential kostengünstiger, polymerer, bidirektionaler Mikroaktorik in einer exemplarischen Anwendung und ermöglicht die Weiterführung in zwei grundsätzlich unterschiedliche Forschungsrichtungen: Zum einen können auf Basis des vorgestellten Relaisentwurfs und der Fertigungsprozesse weitere Dickschicht-Mikrosysteme, wie Mikroventile, optische Mikroschalter und smarte Sensor-Aktor-Systeme entstehen. Zum anderen kann die vielversprechende Integration von Verfahren der Feinmechanik in Form von z.B. Mikrofräsen, Mikrolaserbearbeitung oder Mikrospritzguss weiter untersucht und optimiert werden. Dabei können weitere Mikroaktorsysteme, wie beispielsweise mobile haptische Braille-Displays, realisiert werden. Kostengünstige polymere Mikroaktorik kann auf diese Weise in vielen Bereichen Anwendung finden, wofür die vorliegende Arbeit wesentliche Grundsteine legt.