Kabeleigenschaften schnell und einfach bestimmen

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.11.2017

Die Menge an benötigten Kabeln im Auto unterzubringen, ist alles andere als einfach. Simulationen können dabei helfen, allerdings müssen zuvor die Eigenschaften der einzelnen Kabel genau bestimmt werden. Mit der automatisierten Anlage MeSOMICS haben Autobauer die Möglichkeit, diese Parameter nun erstmals schnell und einfach selbst zu ermitteln – und so Zeit und Geld zu sparen.

Im Auto herrscht ein ziemliches Kabelgewirr: Bis zu drei Kilometer Kabel sind dort verbaut. Sie versorgen Motoren, Sensoren, Bordcomputer, Einparkhilfen, Lampen und Co. Diese große Anzahl an Kabeln unterzubringen, ist keine einfache Angelegenheit: Sie dürfen sich weder verheddern noch über scharfe Kanten rutschen, an denen sie aufgescheuert werden – schließlich könnte dies einzelne Komponenten ausfallen lassen, eventuell die Sicherheit der Insassen beeinträchtigen und zu teuren und imageschädigenden Rückrufaktionen der Fahrzeuge führen.

Viele Automobilhersteller setzen daher auf die vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM und vom Fraunhofer-Chalmers Research Center FCC entwickelte Software IPS Cable Simulation. Mit ihr können sie in Echtzeit simulieren, wie Kabel im Fahrzeug am besten verlegt werden. Doch auch die beste Simulation kann nur dann zu brauchbaren Ergebnissen kommen, wenn als Basis für die Berechnung die realistischen physikalischen Parameter eingegeben werden. Bei Kabeln sind solche Parameter die Biege-, Torsions- und Zugsteifigkeit. Bislang war es sehr zeitaufwändig, solche Werte zu bestimmen. Die Kabelproben mussten an ein Labor versandt werden, wo sie dann auf unterschiedlichen Prüfmaschinen vermessen wurden. Die anschließende Ermittlung der benötigten Steifigkeitsparameter aus den Messdaten erfordert zusätzliches Expertenwissen und ist insgesamt ein sehr zeitaufwändiger Prozess.

Datensätze liegen in nur drei Stunden vor

Nun halten die Kunden die gewünschten Datensätze innerhalb von drei Stunden in den Händen. Möglich macht es die hochautomatisierte Messmaschine MeSOMICS, kurz für »Measurement System for the Optically Monitored Identification of Cable Stiffnesses«, die Forscher am Fraunhofer ITWM entwickelt haben. »Mit unserer Anlage können die Kunden ihre Kabel direkt in ihrem Unternehmen vermessen – das spart nicht nur viel Zeit, sondern auch Kosten«, sagt Dr.-Ing. Michael Kleer, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut in Kaiserslautern. Die Messung läuft automatisch, auch nicht speziell dafür ausgebildete Mitarbeiter können sie daher übernehmen. Sie müssen das Kabel lediglich in die Maschine einspannen und die Messung starten. Im Inneren der Maschine wird das Kabel in einem speziellen Messzyklus deformiert und es werden die Kräfte und Momente gemessen, die dazu nötig sind. »Der Mess- und Auswerteprozess ist komplett in MeSOMICS verlagert, die Maschine ist somit extrem leicht zu bedienen«, verdeutlicht Kleer. Als Ergebnis erhält der Mitarbeiter zum einen Fotos des gebogenen Kabels mit überlagert dargestelltem theoretischen Verlauf der Biegelinie für den ermittelten Steifigkeitswert. Er sieht also auf den ersten Blick, ob die Parameter mit der Realität übereinstimmen. Zum anderen bekommt er die Steifigkeiten als Datensatz, den er direkt in die Simulation einlesen kann.

Verbesserung der bisherigen Messmethode

Eine weitere Besonderheit: Die Maschine bildet die reale Einbaukrümmung ab. Sie biegt das Kabel also so weit durch, wie es später auch im Fahrzeug durchgebogen würde. Bislang war dies nicht der Fall: Beim generell üblichen 3-Punkt-Biegeversuch wird das Werkstück auf zwei Auflagen gelegt und in der Mitte von einem Prüfstempel ein kleines Stück weit herunter gedrückt. Sinnvoll ist dieser Ansatz allerdings nur für sehr steife Bauteile – für Kabel also weniger. »Wir haben den Versuchsaufbau daher so umgewandelt, dass er wesentlich größere Durchbiegungen zulässt und dadurch Kabel und Schläuche in einem sehr realitätsnahen Verformungszustand vermisst«, erläutert Kleer.

Die MeSOMICS-Anlage ist bereits serienmäßig verfügbar – als skalierbare Lösung, die an die Erfordernisse des Kunden angepasst wird. In den nächsten Jahren wollen die Forscher die Technologie noch weiter entwickeln. So arbeiten sie unter anderem daran, die Messmaschine mit einer Klimakammer auszustatten, um verschiedene Temperaturen und Luftfeuchten einzustellen und diese in die Messung sowie die Simulation einfließen zu lassen.

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Forschungsprojekt für mehr Patientensicherheit: Neue Testmethoden für die Eignung von Implantaten für MRT-Untersuchungen entwickelt

Pressemeldung der OTH Amberg-Weiden vom 11.10.2017

Mit Herzschrittmacher oder Hüftimplantaten ins MRT (Magnet-Resonanz-Tomografie)? Viele Implantate sind für eine MRT-Untersuchung geeignet, aber nicht jedes. Häufig darf aus Sicherheitsgründen keine MRT-Untersuchung durchgeführt werden, denn die starken Magnetfelder können die Elektronik der Geräte ernsthaft beeinträchtigen oder im schlimmsten Fall den Patienten durch die Kraftwirkung, die auf das Implantat wirkt, verletzen. Für die Prüfung, ob ein Implantat für MRT-Untersuchungen geeignet ist, und damit eine sichere Untersuchung bei Implantat-Trägern gewährleistet werden kann, hat die OTH Amberg-Weiden im Rahmen eines Forschungsprojekts neue Testmethoden entwickelt. Dabei handelt es sich um ein automatisiertes Prüfverfahren, das Implantate automatisch auf ihre MRT-Eignung testet.

Die Forschungsarbeiten für das Projekt „Testmethodenentwicklung für aktive, implantierbare Medizinprodukte zum Ausschluss von Fehlfunktionen im Rahmen der MRT“ begann unter der Projektleitung von Prof. Dr. Ralf Ringler (Studiengang Medizintechnik an der OTH Amberg-Weiden) vor zwei Jahren. Gemeinsam mit dem Gelsenkirchener Unternehmen MR:comp, ein weltweit agierendes Unternehmen, das sich als Prüflabor einen Namen im Testen von Implantaten erworben hat, wurden Testmethoden entwickelt, die Fehlfunktionen von Implantaten durch induzierte Kräfte, Drehmomente und Vibrationen durch statische oder zeitlich veränderliche Magnetfelder erkennen.

Das Ergebnis der zweijährigen Forschungs- und Entwicklungsarbeit: Die ersten Prototypen zur automatisierten Messung von Drehmoment und Kraft im starken Magnetfeld eines MRTs wurden erfolgreich entwickelt, getestet und optimiert. Dabei wurden die im CAD-Programm geplanten und konstruierten, mechanischen Aufbauten in der hochschuleigenen Werkstatt am Standort Amberg in die Realität umgesetzt. Parallel zur Fertigung befasste sich das Entwicklungsteam in Weiden und Gelsenkirchen mit der einzusetzenden Sensorik, sowie mit der Fragestellung der Automatisierung der Messung. Eine essentielle Anforderung bei der Entwicklung und Umsetzung der automatisierten Teststände bestand darin, das Verfahren für die Anwender und somit für die späteren Prüfingenieure zu vereinfachen und die Tests stets unter gleichen Bedingungen wiederholen zu können. Auch eine entsprechende Software wurde entwickelt. So können in Testszenarien Funktionalität und Fehlerquellen nachgewiesen, Verbesserungen erarbeitet und neue Lösungen integriert werden.

„Unsere Arbeit gewinnt vor allem vor dem Hintergrund des demografischen Wandels an Bedeutung“, sagt Projektleiter Prof. Dr. Ralf Ringler. „Die steigende Lebenserwartung führt dazu, dass immer mehr Menschen auf Implantate angewiesen sind. Gleichzeitig benötigen gerade diese Patienten nicht selten auch MRT-Untersuchungen für eine vollständige Diagnose. Mit der Entwicklung der Testmethoden leisten wir einen wichtigen Beitrag zur sicheren Untersuchung von Implantat-Trägern!“ Denn „mit den neuen Testverfahren wurde die Messgenauigkeit erhöht und die Messzeit der Prüfung deutlich reduziert. Das bedeutet, eine Prüfung eines Implantats kann mit der von uns entwickelten Testmethoden schneller, günstiger und genauer durchgeführt werden“, so Projektingenieurin M.Sc. Karina Schuller. „Wir als Prüflabor können Herstellern von Implantaten eine höhere Sicherheit geben, dass ihr Implantat für eine MRT-Untersuchung geeignet ist“, ergänzt Dr. Jörg Seehafer, MR safety Consultant bei MR:comp GmbH.

Das Forschungsvorhaben „Testmethodenentwicklung für aktive, implantierbare Medizinprodukte zum Ausschluss von Fehlfunktionen im Rahmen der Magnet-Resonanz-Tomografie (MRT)“ wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und im Rahmen des Programms „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)“ (Projektform: Kooperationsprojekte) durchgeführt.

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Smartpump: Klein, aber leistungsstark

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.08.2017

Feinstaub schädigt Herz und Lunge. Vor einer hohen Belastung könnte in Zukunft ein Smartphone mit eingebautem Gassensor warnen. Damit der Sensor schnell anspricht und genaue Messwerte liefern kann, haben Fraunhofer-Forscher eine leistungsstarke Mikromembranpumpe entwickelt, die die Umgebungsluft zuführt.

»Unsere Smartpump ist nur fünfundzwanzig Quadratmillimeter groß und damit die kleinste Pumpe der Welt. Trotzdem hat sie ein hohes Kompressionsverhältnis«, sagt Dr. Martin Richter, der die Abteilung Mikrodosiersysteme an der Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT in München leitet.

Um in der Pumpkammer Druck zu erzeugen nutzen Richter und sein Team den piezoelektrischen Effekt, der elektrische Spannung in mechanische umwandelt: Mit Hilfe von Wechselspannung wird die Silizium-Membran nach oben oder unten bewegt, dadurch Umgebungsluft durch ein Ventil eingesaugt, in der Pumpkammer verdichtet und wieder herausgepresst.

Druck wird durch Trick erhöht

Herkömmliche piezoelektisch angetriebene Mikromembranpumpen können nur relativ niedrige Drücke mit Luft erzeugen. Denn die Unsymmetrie des Piezoeffektes erfordert viel Platz in der Pumpkammer, um die Membran bewegen zu können. Dadurch entsteht unvermeidbar ein hohes Totvolumen, also ein Restvolumen, dessen Gasinhalt nicht ausgestoßen wird. Durch einen Trick ist es Richter und seinem Team gelungen, das Totvolumen zu reduzieren und so den Druck und das Saugvermögen zu erhöhen: »Wir spannen die Membran bei der Montage der Piezokeramik mit dem Piezoeffekt definiert vor. Das hat den Vorteil, dass wir keine tiefe Pumpkammer mehr benötigen. Dieser Trick ermöglicht nicht nur Mikropumpen mit hohen Kompressionsverhältnissen, sondern auch insgesamt kleiner zu bauen.«

Nicht nur die Membran, auch die Klappventile und die Pumpkammer werden aus einkristallinem Silizium gefertigt, was gegenüber Metallen und Kunststoffen zahlreiche Vorteile hat: Das Halbmetall, aus dem auch Solarzellen oder Computerchips hergestellt werden, ist elastisch und ermüdungsfrei. Zudem lassen sich die einzelnen Pumpenkomponenten sehr exakt aus der Siliziumschicht herausätzen und anschließend aneinanderfügen. Der Nachteil: Silizium ist verhältnismäßig teuer. Auch deshalb ist es so wichtig, die Pumpe so klein wie möglich zu bauen. »Unser Ziel ist, die Pumpe auf eine Größe von zehn Quadratmillimeter zu verkleinern. Dann wäre die Massenfertigung rentabel. Wir sind hier auf einem guten Weg«, sagt Richter.

Die Integration von Gassensoren in Smartphones wird derzeit unter anderem dadurch erschwert, dass die Reaktionszeiten für diese Sensoren viel zu lang sind. Die Smartpump könnte den Gassensoren gezielt Luft zuführen und so die Reaktionszeit von mehreren Minuten auf zwei Sekunden verkürzen. Messen ließe sich nicht nur die Feinstaub-Belastung, sondern beispielsweise auch, ob die Raumluft verbraucht ist und die Fenster zum Lüften geöffnet werden sollten. Auch eine Atemluft-Analyse wäre prinzipiell möglich, beispielsweise um den Alkohol-Gehalt zu kontrollieren. »Allerdings ist hier eine hohe Messgenauigkeit erforderlich, die zurzeit noch nicht erzielt wird. Sonst setzt sich jemand in dem Glauben, nur 0,3 Promille zu haben, hinter das Steuer, hat aber in Wirklichkeit 0,9«, warnt Richter.

Vielfältig einsetzbar

Die Mikropumpe könnte auch im medizinischen Bereich zum Einsatz kommen, zum Beispiel als Medikamenten-Pflaster, das kontinuierlich Kleinstmengen eines Hormons oder Schmerzmittels abgibt. Oder als Implantat, mit dessen Hilfe sich der Augeninnendruck bei einer Glaukom-Therapie regulieren ließe. Maschinen könnten durch die Pumpe mit exakt dosiertem Schmierstoff versorgt werden. »Diese Anwendung entwickeln wir bereits mit einem Partner aus der Industrie.«

Im Rahmen des Förderprogramms »Discover«, das unkonventionelle und originelle Ideen unterstützt, erforschen Richter und seine Kollegen noch ein weiteres Anwendungsgebiet: das Hinterlegen von Audio- und Videodateien mit Duftszenarien. »Unsere Smartpump wird in einem Headset verbaut und verabreicht nasennah genau dosierte Düfte. Die Gaming-Industrie hat bereits Interesse angemeldet.« Generell sei die Smartpump für alle Anwender interessant, die kleinste Mengen an Flüssigkeiten oder Gasen genau dosieren wollen.

Das Smartpump-Projekt wird gefördert durch die Fraunhofer-Zukunftsstiftung, die das Ziel verfolgt, Innovation und Beschäftigung am Standort Deutschland mittels der Lizenzierung von Forschungsergebnissen an Unternehmen zu stärken.

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Handysteuerung mit Gesichtsgesten

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 04.07.2017

Mobilgeräte nehmen einen immer wichtigeren Platz in unserem Leben ein – in manchen Situationen können sie jedoch nicht angemessen gesteuert werden, und schon das Annehmen eines Anrufs ist eine echte Herausforderung. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Graphische Datenverarbeitung IGD in Rostock haben in einer Studie evaluiert, welche alternativen Steuerungskonzepte sich eignen, um die herkömmliche Steuerung mobiler Geräte zu ergänzen. Viel Potenzial verspricht die Eigenentwicklung EarFieldSensing (EarFS), die Gesichtsgesten über einen speziellen Ohrstöpsel erkennt und neben dem Einsatz an Mobilgeräten weitere Entwicklungsmöglichkeiten bietet.

Moderne Mobilgeräte werden meist mithilfe eines Touchscreens gesteuert. Im Alltag gibt es jedoch viele Situationen, in denen sich diese Art der Bedienung nicht umsetzen lässt. Trägt man zum Beispiel Handschuhe oder hat die Hände mit Einkäufen voll, ist das Nutzen von Smartphone und Co. nur schwer möglich. Wissenschaftler des Fraunhofer IGD suchen daher nach alternativen Konzepten zur Steuerung mobiler Geräte. Naheliegend ist die Steuerung via Sprache. Doch Herausforderungen wie Umgebungslärm sowie die soziale Akzeptanz setzen der Sprachsteuerung enge Grenzen. Die Lösung der Fraunhofer-Experten: Die Steuerung über Kopf- und Gesichtsgesten wie Augenzwinkern, Lächeln oder Nicken.

EarFS misst das Lächeln im Ohr

Im Rahmen der Erforschung berührungsloser Steuerung für mobile Szenarien evaluierten die Rostocker Forscher und Forscherinnen verschiedene Technologien, mit denen Kopf- sowie Gesichtsbewegungen ausgelesen werden können. Dabei kam besonders der Alltagstauglichkeit große Bedeutung zu. So sind zum Beispiel Systeme, die Gesten mithilfe von Sensoren direkt im Gesicht ablesen, zwar sehr genau und in der Lage, eine große Zahl an Gesten zu erkennen. Allerdings sind sie derart auffällig und unangenehm zu tragen, dass sie sich nicht für den täglichen Gebrauch in der Öffentlichkeit eignen. Dafür bedarf es möglichst unauffälliger Systeme wie zum Beispiel EarFS, einer Eigenentwicklung des Fraunhofer IGD. Dabei handelt es sich um einen speziellen Ohrstöpsel, der die Muskelströme und Verformungen des Ohrkanals misst, die bei Gesichtsbewegungen auftreten. Der Sensor registriert bereits kleinste Bewegungen im Gesicht durch die Art, wie sich die Form des Ohrkanals verändert, und misst Muskelströme, die bei der Bewegung des Gesichts oder des Kopfes entstehen.

»Die Herausforderung war, dass diese Ströme und Bewegungen mitunter sehr klein sind und verstärkt werden müssen«, erklärt Denys Matthies, Wissenschaftler am Fraunhofer IDG. »Außerdem dürfen die Sensoren sich nicht von anderen Bewegungen des Körpers, zum Beispiel den Erschütterungen beim Gehen oder von externen Interferenzen stören lassen. Dafür wurde eine zusätzliche Referenzelektrode an das Ohrläppchen angebracht, die die von außen kommenden Signale registriert.« Die im Inneren des Ohrs erfassten Signale werden mit den von außen kommenden Signalen abgeglichen – das verbleibende Nutzsignal ermöglicht eine eindeutige Gesichtsgestenidentifizierung, selbst wenn der EarFS-Träger sich bewegt.

Zahlreiche Einsatz- und Weiterentwicklungsmöglichkeiten

EarFS ermöglicht nicht nur Mikrointeraktionen mit dem Smartphone wie etwa das Annehmen und Ablehnen von Telefonanrufen oder die Steuerung des Music-Players. Die Auswertung der Gesichtsbewegungen erlaubt auch Rückschlüsse auf Müdigkeit, Anstrengung und andere Gemütszustände des Nutzers. Dadurch könnten Smartphones beispielsweise Autofahrer warnen, wenn verstärkt Zeichen von Müdigkeit und Erschöpfung registriert werden, oder sich automatisch lautlos stellen, wenn ihr Besitzer hoch konzentriert arbeitet. Denkbar ist der Einsatz der Technologie auch im medizinischen Bereich. Zum Beispiel könnte sie Menschen mit Locked-in-Syndrom helfen, leichter zu kommunizieren, indem sie ihnen ermöglicht, Computer mit Gesichtsbewegungen zu steuern. Doch damit ist das Potenzial von EarFS noch lange nicht erschöpft. »Das Differential Amplification Sensing, also das Verstärken von Muskelströmen und Ohrkanalverformungen bei gleichzeitigem Herausfiltern von externen Signalen, füllt eine Forschungslücke«, so Matthies. »Mit der Technologie können wir auch an anderen Stellen des Körpers Aktivitäten ablesen und von externen Signalen trennen: Dies eröffnet uns weitere Einsatzmöglichkeiten, darunter die komplementäre Steuerung von Maschinen in der Industrie 4.0.«

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Einzelne Zellen auf dem Präsentierteller

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.06.2017

Je mehr Tumorzellen sich im Blut auf Wanderschaft befinden, desto größer die Gefahr einer Metastasenbildung. Im Blut zirkulierende Tumorzellen sind ein wichtiger Indikator dafür, ob und wie eine Therapie wirkt. Fraunhofer-Forscher haben jetzt einen Mikrolochchip entwickelt, der eine zuverlässige Identifizierung und Charakterisierung der Zellen ermöglicht – und das innerhalb von nur wenigen Minuten.

Mit dem herkömmlichen Analyseverfahren FACS (fluorescence-activated cell sorting) lässt sich die Anzahl der im Blut zirkulierenden Tumorzellen nur grob bestimmen. »Bei FACS werden die Zellen farblich markiert, sortiert und in verschiedenen Behältern gesammelt«, erklärt Dr. Thomas Velten, dessen Team den neuen Mikrolochchip am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT entwickelt hat. Das Problem: Die Anzahl der Farben für die Markierung ist begrenzt. »Irgendwann überlappen sie sich und man kann sie nicht mehr voneinander unterscheiden. Außerdem gibt es nicht für alle Tumorzellen gute Marker, daher werden sie mit FACS nicht erfasst.« Weiterhin lässt sich beim FACS ein Messergebnis nicht eindeutig einer bestimmten Zelle zuordnen, da der Auffangbehälter Tausende von Zellen enthält.

Zellen werden mit Unterdruck fixiert

»Mit unserem neuen Mikrolochchip lassen sich die Zellen aus der Probe problemlos ›einfangen‹, für eine anschließende Analyse einzeln positionieren und nach der Analyse auch einzeln entnehmen. Denn hier liegen die Zellen geordnet nebeneinander wie auf einem Präsentierteller. Jede Zelle sitzt auf einem Loch, kann aber nicht durchrutschen. Sie wird von einem leichten Unterdruck angesaugt und fixiert«, so Velten.

In einem gerade zu Ende gegangenen Verbundprojekt zur Identifikation zirkulierender Tumorzellen erfolgte die Zellanalyse in zwei Schritten: Zunächst wurden verdächtige Zellen mit Hilfe eines Mikroskops ausgewählt. Dann wurden sie mit der zeitaufwändigeren Methode der Raman-Spektroskopie eingehend untersucht. Dabei werden die Zellen mit dem Licht eines bestimmten Frequenzbereichs bestrahlt; anhand der Streuung lassen sich Tumorzellen sicher identifizieren. Mit dem neuen IBMT-Chip aus Siliziumnitrid ist das kein Problem – mit Chips aus Glas oder Kunststoff unmöglich, da die Materialien die ramanspektroskopische Messung stören.

Chip bietet Platz für 200 000 Zellen

Ein weiterer Vorteil des neuen Mikrolochchips: Er bietet Platz für 200 000 Zellen, die innerhalb von wenigen Minuten auf ihr Loch rutschen. »Nur wenn die Probe groß genug ist, kann man zirkulierende Tumorzellen überhaupt finden, weil sie im Blut in nur sehr kleiner Menge vorkommen. Ältere Chips haben rund 1000 Löcher. Das ist für diese Anwendung zu wenig«, erläutert Velten.

Die Tumorzellen auf dem Chip können mit einer Mikropipette einzeln entnommen und weiter untersucht werden. Denn der Unterdruck ist so gewählt, dass er die Zellen zwar festhält, aber nicht beschädigt. Eine molekularbiologische Analyse kann helfen Hinweise zu finden, warum ein Medikament bei den Tumorzellen gewirkt oder versagt hat.

Für den neuen Mikrolochchip sind auch zahlreiche andere Anwendungen denkbar, beispielsweise als Selektionssystem für Protein-produzierende Zellen, die für die Produktion von Biopharmazeutika wie Insulin notwendig sind. Zudem lassen sich Mikrochips mit exakt definierten Mikroporen als Substrate für In-vitro-Modelle von physiologischen Barrieren wie die Blut-Hirn-Schranke oder die Darmbarriere verwenden. Solche Barrieremodelle sind für die Entwicklung von Medikamenten außerordentlich interessant.

Der nächste Schritt ist es, Partner für die Adaptierung der Technologieplattform an verschiedene Anwendungen zu finden.

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