Forschung am Lehrstuhl Mikrosystemtechnik
Chemo-Physikalische Intelligenz
Unser Labor beschäftigt sich mit den Grundlagen intelligenter, hochfunktionaler und autonomer Systeme, die auf smarten, weichen Materialien basieren und so klein sind, dass ihre Intelligenz und Funktionenvielfalt nicht mehr auf Halbleiterelektronik basieren kann. Gelingt deren Realisierung, lässt sich die riesige Welt im Mikro- und Nanobereich mit ihren revolutionären neuen Möglichkeiten betreten. Wir erforschen, wie solche nicht auf Halbleiterelektronik basierenden Systeme dennoch hochfunktional sein können, wie sie komplexe Informationen verarbeiten können und welche Möglichkeiten der Energieversorgung es gibt. Ein besonderer Schwerpunkt unserer Forschung liegt auf grundlegenden Konzepten der nicht halbleiterbasierten Informationsverarbeitung. Wir untersuchen verschiedene Arten solcher Systeme:
Die logische Mikrofluidik zielt darauf ab, in der Lab-on-a-Chip-Technologie die in der Mikroelektronik so bahnbrechend erfolgreiche Ökonomie der Skalen durch Verwendung transistorartiger Komponenten zu etablieren. Wir erfanden das Konzept der chemofluidischen Logik-Mikrofluidik, der sogenannten Chemofluidik. Basierend auf chemofluidischen Transistoren mit Entscheidungsfunktionen gegenüber Chemikalien sollen diskrete chemofluidische ICs nicht nur komplexe (bio-) chemische Protokolle automatisieren und parallelisieren, sondern auch echte chemische Informationen, die derzeit fast ausschließlich von Menschen ausgeführt werden, autonom verarbeiten. Unsere Forschung umfasst:
- Technologieentwicklung
- Konzepte aktiver und passiver Bauelemente inkl. Modellierung und Simulation
- Schaltungstechnik und -Design inkl. Modellierung und Simulation
- Anwendungen
Literatur:
P. Frank, D. Gräfe, C. Probst, S. Häfner, M. Elstner, D. Appelhans, D. Kohlheyer, B. Voit, A. Richter (2017) Autonomous, self-sufficient circuits for microfluidic flow control on the chip-level utilizing a chemo-fluidic transistor, Adv. Funct. Mater., 1700430
G. Paschew, J. Schreiter, A. Voigt, C. Pini, J. P. Chávez, M. Allerdißen, U. Marschner, S. Siegmund, R. Schüffny, F. Jülicher, A. Richter (2016) Autonomous chemical oscillator circuit based on bidirectional chemical-microfluidic coupling, Adv. Mater. Technol., 1 (1), 1600005.
P. Frank, J. Schreiter, G. Paschew, A. Voigt, A. Richter, (2016) Integrated Microfluidic Membrane Transistor Utilizing Chemical Information for On-Chip Flow Control, PLoS ONE, 11, e0161024.
R. Greiner, M. Allerdißen, A. Voigt, A. Richter (2012) Fluidic microchemomechanical integrated circuits processing chemical information, Lab Chip, 12 (23), 5034-5044.
Dieses Forschungsgebiet befasst sich mit winzigen aeroben, terrestrischen und schwimmenden Robotersystemen, die wie ein winziger Organismus ohne Elektronik automatisch erfassen, berechnen, handeln und kommunizieren können. Im Milli- bis Nanometerbereich könnten solche Systeme bahnbrechende und weitreichende neue Konzepte von Beobachtung, Erkennung, Ernten, Strukturaufbau und Manipulationen als einzelne Einheiten oder durch Nutzung der Intelligenz von Schwärmen winziger, aktiver Entitäten ermöglichen. Wir wollen verstehen, wie solche Systeme z.B. Wahrnehmung ihrer Umwelt, Verarbeitung von Informationen, Einnahme von Energie, Bewegung und Manipulation.
Die künftige Herstellung von Mikrosystemen erfordert zunehmend neue Technologien zur Herstellung von 3D-Strukturen bis hin zur nanoskopischen Strukturtreue. Während die 3D-Fertigung für Maschinenbau, Heim- und Verbraucheranwendungen (3D-Druck) gut etabliert ist, besteht eine große Nachfrage nach entsprechenden hochauflösenden und Hochdurchsatztechniken für integrierte Mikrosysteme. Die Forschung der Heisenberggruppe Kirchner bietet solche Lösungen an
- origami inspirierte MEMS Technologie
- polymerbasierte Aktuatoren für Selbstfaltende Systeme
- programmierbare Polymereigenschaften
Themen für Studentische Arbeiten (SHK/WHK, Studien- Diplom-und Masterarbeiten) finden Sie hier.
Reality 2.0
Reality 2.0 möchte die visuell geprägte Wahrnehmung der Welt durch eine vollständige virtuelle 3D-Umgebung ersetzen. Sie lässt die Grenzen zwischen physischer und virtueller Welt verschwinden und macht damit Technologie grenzenlos. Realität 2.0 erscheint wie eine ferne Zukunft, aber sie ist es nicht. Zusammen mit Wissenschaftlern aus anderen Disziplinen, einschließlich Psychologen, wollen wir die spezifischen Anforderungen solcher Systeme, mögliche Systemarchitekturen, ihre grundlegenden Teile und mögliche technische Lösungen verstehen. Unsere Forschung umfasst:
Stellen Sie sich vor, dass digitale Systeme virtuelle Objekte materialisieren können, sodass Sie sie mit bloßen Händen anfassen können. Es würde die Teleoperation, den Abenteuer- und Spielebereich und vieles mehr drastisch verändern. Wir erforschen mit einem interdisziplinären Team eine solche Technologie.
Reality 2.0 benötigt haptische und taktile Displays mit Eigenschaften, die heute noch nicht verfügbar sind. In unserer Forschung beschäftigen wir uns schwerpunktlich mit zwei Ansätzen. Wir entwickeln hochaufgelöste taktile Displays, welche eine Vielzahl von Oberflächen naturgetreu darstellen können und haptische Displays, welche der natürlichen Interaktion des Menschen mit Objekten seiner Umgebung entsprechen.
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Medizintechnik
Medizintechnik, Bioanalytik und Diagnostische Systemtechnik haben an der Professur Mikrosystemtechnik eine lange und erfolgreiche Tradition sowohl in der Angewandten als auch in der Grundlagenforschung. Wir entwickeln zusammen mit Industriepartnern praxisnahe medizintechnische Systeme, beschäftigen uns aber auch mit grundlegend neuen Ansätzen zur Lösung großer Herausforderungen in Analytik, Diagnostik und Therapie. Unsere Forschungsschwerpunkte sind:
Wir entwickeln multifunktionale Implantate mit integrierter Intelligenz. Sogenannte theranostische Implantate kombinieren diagnostische und therapeutische Funktionen und machen Patienten und Ärzten das Leben deutlich einfacher. Gelenkprothesen erkennen zum Beispiel die Lockerungsgefahr selbsttätig, verfestigen sich selbst und beugen so Schmerzen und einer Operation vor. Die Implantate sind hochkomplizierte Mikrosysteme, die Aktoren, Sensoren, Kommunikation, einen Minicomputer für die Signalverarbeitung und die Energieversorgung in sich vereinen. Unsere Expertise liegt im Design dieser Systeme sowie in der Signalauswertung.
Tragbare multifunktionale und intelligente Medizintechnik kann das Leben und Wohlbefinden von Patienten im Alltag drastisch verbessern und Ärzten neue, effizientere und schnellere Möglichkeiten der Diagnostik bieten. Meist zusammen mit Partnern entwickeln wir neuartige, innovative Systeme und bringen unsere Kompetenzen in den Bereichen aktorischer und sensorischer Mikrosysteme, der drahtgebundenen und drahtlosen Kommunikation, der Signalverarbeitung sowie des Designs heterogener Systeme ein.
Das Lab on a Chip - Konzept zielt darauf ab, die Prozesse ganzer Laboratorien auf einem einzigen mikrofluidischen Schaltkreis zu platzieren und zu automatisieren. Zentrale Probleme der LoC-Technologie sind es bislang, dass zu ihrer Nutzung speziell geschultes Personal benötigt wird und dass die Funktionalitäten der Labs on a Chip zu gering sind. Genau diese Herausforderungen adressieren wir in unserer Forschung in den Bereichen Point-of-Care, Point-of-Need, Hochdurchsatzanalytik und Zell-Plattformen wie z.B. Organ on-Chip.
Neben einer State-of-the-Art-Fertigungstechnologie verfügen wir über verschiedene leistungsfähige konventionelle Plattformen inklusive Multikanalmikropneumatik, Elektrowetting und Elektrokinetik sowie papierbasierte Mikrofluidik, Gelplattformen und natürlich die logische Mikrofluidik.
| BMBF |
INHUEPRO: Hüftprothese mit Sensorik zur Überwachung von Lockerungszuständen (Verbundprojekt) |
| BMWI | PROTEL: Hüftprothese mit telemetrischer Funktionsüberwachung (Verbundprojekt) |
| SAB | MUSE-TELEMED: Multisensorielles System zurDetektion komplexer biomedizinischer Daten und deren Telemedizinischer Übertragung (Verbundprojekt) |
| SMWK | DICS: Diagnostische Integrierte Schaltkreise (Forschergruppe) |
| BMBF | SmartSens: Passives drahtloses Sensornetzwerk für Anwendungen in der Medizintechnik (Verbundprojekt) |
| ESF | ChemIT: Chemische Informationstechnik für die Lebenswissenschaften (Forschergruppe) |
| SMWA | Intelligentes Ferndiagnosesystem (Verbundprojekt) |
| BMBF | SmartVital: Intelligentes EKG mit Auswertung und Bewegungsklassifikation (FhG IPMS) |
Die Auswahl der Forschungsprojekte beschränkt sich auf öffentlich geförderte Projekte.
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Cyber-Physikalische Systeme
Cyberphysikalische Systeme bilden die Grundlage für die großen Trends des Internet der Dinge, Smart Systems, Industrie 4.0 usw. Sie entstehen durch in “Dinge” eingebettete Systeme, welche durch drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsnetze zu teils riesigen Systemen verbunden sind. In unserer Forschung beschäftigen wir uns schwerpunktlich mit kleinen Systemen, die in Gegenständen des täglichen Lebens, in produktionstechnische Anlagen oder auch in Flugzeuge oder Teile von Gebäudekonstruktionen integriert werden. Besondere Expertise besitzen wir in:
in Bearbeitung
in Bearbeitung
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