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Learning From Networked-data: Methods and Models for Understanding Online Social Networks Dynamics
(2020)
Abstract
Nowadays, people and systems created by people are generating an unprecedented amount of
data. This data has brought us data-driven services with a variety of applications that affect
people’s behavior. One of these applications is the emergent online social networks as a method
for communicating with each other, getting and sharing information, looking for jobs, and many
other things. However, the tremendous growth of these online social networks has also led to many
new challenges that need to be addressed. In this context, the goal of this thesis is to better understand
the dynamics between the members of online social networks from two perspectives. The
first perspective is to better understand the process and the motives underlying link formation in
online social networks. We utilize external information to predict whether two members of an online
social network are friends or not. Also, we contribute a framework for assessing the strength of
friendship ties. The second perspective is to better understand the decay dynamics of online social
networks resulting from the inactivity of their members. Hence, we contribute a model, methods,
and frameworks for understanding the decay mechanics among the members, for predicting members’
inactivity, and for understanding and analyzing inactivity cascades occurring during the decay.
The results of this thesis are: (1) The link formation process is at least partly driven by interactions
among members that take place outside the social network itself; (2) external interactions might
help reduce the noise in social networks and for ranking the strength of the ties in these networks;
(3) inactivity dynamics can be modeled, predicted, and controlled using the models contributed in
this thesis, which are based on network measures. The contributions and the results of this thesis
can be beneficial in many respects. For example, improving the quality of a social network by introducing
new meaningful links and removing noisy ones help to improve the quality of the services
provided by the social network, which, e.g., enables better friend recommendations and helps to
eliminate fake accounts. Moreover, understanding the decay processes involved in the interaction
among the members of a social network can help to prolong the engagement of these members. This
is useful in designing more resilient social networks and can assist in finding influential members
whose inactivity may trigger an inactivity cascade resulting in a potential decay of a network.
The advent of heterogeneous many-core systems has increased the spectrum
of achievable performance from multi-threaded programming. As the processor components become more distributed, the cost of synchronization and
communication needed to access the shared resources increases. Concurrent
linearizable access to shared objects can be prohibitively expensive in a high
contention workload. Though there are various mechanisms (e.g., lock-free
data structures) to circumvent the synchronization overhead in linearizable
objects, it still incurs performance overhead for many concurrent data types.
Moreover, many applications do not require linearizable objects and apply
ad-hoc techniques to eliminate synchronous atomic updates.
In this thesis, we propose the Global-Local View Model. This programming model exploits the heterogeneous access latencies in many-core systems.
In this model, each thread maintains different views on the shared object: a
thread-local view and a global view. As the thread-local view is not shared,
it can be updated without incurring synchronization costs. The local updates
become visible to other threads only after the thread-local view is merged
with the global view. This scheme improves the performance at the expense
of linearizability.
Besides the weak operations on the local view, the model also allows strong
operations on the global view. Combining operations on the global and the
local views, we can build data types with customizable consistency semantics
on the spectrum between sequential and purely mergeable data types. Thus
the model provides a framework that captures the semantics of Multi-View
Data Types. We discuss a formal operational semantics of the model. We
also introduce a verification method to verify the correctness of the implementation of several multi-view data types.
Frequently, applications require updating shared objects in an “all-or-nothing” manner. Therefore, the mechanisms to synchronize access to individual objects are not sufficient. Software Transactional Memory (STM)
is a mechanism that helps the programmer to correctly synchronize access to
multiple mutable shared data by serializing the transactional reads and writes.
But under high contention, serializable transactions incur frequent aborts and
limit parallelism, which can lead to severe performance degradation.
Mergeable Transactional Memory (MTM), proposed in this thesis, allows accessing multi-view data types within a transaction. Instead of aborting
and re-executing the transaction, MTM merges its changes using the data-type
specific merge semantics. Thus it provides a consistency semantics that allows
for more scalability even under contention. The evaluation of our prototype
implementation in Haskell shows that mergeable transactions outperform serializable transactions even under low contention while providing a structured
and type-safe interface.
Der Erfolg von Transformationen hängt von sehr vielen Faktoren ab. In der vorliegenden Arbeit wurden einige ausgewählte Faktoren aufgegriffen und validiert. Die vorliegende
Arbeit enthält keine abschließende Beurteilung, der in der Literatur dargestellten Erfolgsfaktoren.
Change-Prozesse beeinflussen im organisationalen Kontext in den meisten Fällen die sozialen Beziehungen, sei es auf individueller, Team- oder gesamtorganisationaler
Ebene. Je grösser, einschneidender, tiefgehender oder radikaler die Veränderung, desto schwieriger sind der Ausgang und insbesondere die Erfolgsaussichten vorhersehbar. Gemäß den Forschungsergebnissen spielen neben den geprüften Erfolgsfaktoren auch die bisherigen Erlebnisse eine wichtige Rolle. Die Organisation kann die bisherigen Erfahrungen zu einem großen Teil selber steuern, reflektieren und daraus lernen. Die individuellen Change-Erfahrungen der Mitarbeitenden hingegen sind schwer zu fassen und können höchstens durch individuelle Begleitung verarbeitet werden.
Grundsätzlich kann bestätigt werden, dass die gewählten und validierten Maßnahmen erfolgsversprechend zur positiven Entwicklung der Organisationskultur eingesetzt werden
können. Neben der Prägung der Organisationskultur sollten Organisationen eine grundsätzliche Change-Affinität entwickeln und fördern. Die Interviews belegen, was in der Literatur postuliert wird: Die Organisationskultur ist die Basis der Zusammenarbeit in Organisationen und darf aus diesem Grund nicht vernachlässigt werden. Die Organisationskultur wird von allen befragten Personen als ein sehr wichtiges (wenn nicht sogar als wichtigstes) Element der Organisation betrachtet.
Die Kulturentwicklung in der Praxis wird als Nebeneffekt anderer Interventionen wahrgenommen. Eine klare Aussage, wie die Kultur in eine bestimmte Richtung entwickelt werden kann, wurde nicht getroffen.
LinTim is a scientific software toolbox that has been under development since 2007, giving the possibility to solve the various planning steps in public transportation. Although the name originally derives from "Lineplanning and Timetabling", the available functions have grown far beyond this scope.
This document is the documentation for version 2020.02.
For more information, see https://www.lintim.net
Gemeinnützige Organisationen sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken, da diese soziale sowie kulturelle Aufgaben übernehmen und eine nicht unwesentliche Rolle bei der demokratischen Entwicklung der Gesellschaft spielen.
In Deutschland gibt es mehr als 615.000 Non-Profit-Organisationen (NPO), darunter bildet die Rechtsform der eingetragenen Vereine mit 580 000 (94%) den größten Teil des Dritten Sektors, dicht gefolgt von gemeinnützigen GmbHs mit rund 10.000 Organisationen. Somit ist jeder zweite Einwohner Deutschlands Mitglied in mindestens einem der mehr als 580.000 Vereine.
Auch wenn dies zunächst eine positive Tendenz von einer vitalen Zivilgesellschaft aufweist, befinden sich Vereine in einem strukturellen Wandel, denn die Konkurrenz wächst in Bezug auf die Ressourcensicherung, sowohl im Bereich der Finanzierung aufgrund von stagnierenden öffentlichen Mitteln und einem fehlenden Finanzierungsmix als auch in Hinblick auf die Gewinnung freiwillig Engagierter. Zudem sind die Überalterung und das nachlassende Gemeinschaftsgefühl der Gesellschaft ein weiteres Problem im dritten Sektor. Soziale Milieus haben sich im Laufe der Zeit verändert, im Gegensatz zu früher sind sie nicht mehr eindeutig definierbar, damit wird es beschwerlicher explizite Zielgruppen anzusprechen. Dies ist einer der Gründe, warum klassischen Mitgliederorganisationen, die Stammkunden verloren gehen.
Eine sich derart verändernde Zivilgesellschaft hat zunehmende Anforderungen an das Leistungsspektrum der Vereinslandschaft. Vor allem für kleine, ehrenamtlich getragene Vereine wird es schwierig, sich mit derartigen Problemlagen auseinanderzusetzen. Aus diesem Grund legt die vorliegende Masterthesis den Fokus auf diese kleinen Vereinssparten, um zu untersuchen, ob ein Vereinssterben in Westdeutschland ein Mythos ist oder zur Realität wird.
Um zu einem Ergebnis zu gelangen, wird in den nächsten Kapiteln zunächst das Vereinsmodell in Deutschland näher betrachtet. Danach werden die hauptsächlichen Herausforderungen untersucht, mit denen die heutige Vereinslandschaft zu kämpfen hat, um dann der Frage nach zugehen, ob die Rechtsform des Vereins ein Auslaufmodell ist. Zum Schluss wird anhand eines praktischen Beispiels ein Changemanagementprozess durchlaufen. Dieser soll beweisen, dass die Professionalisierung des Vereinswesen, zumindest in Teilbereichen, wie beispielsweise bei der Kommunikation, ein Lösungsansatz sein kann, damit auch kleine, ehrenamtlich getragene Vereine weiterhin bestehen können.
Using molecular dynamics simulation, we study the cutting of an Fe single crystal using
tools with various rake angles α. We focus on the (110)[001] cut system, since here, the crystal
plasticity is governed by a simple mechanism for not too strongly negative rake angles. In this
case, the evolution of the chip is driven by the generation of edge dislocations with the Burgers
vector b = 1
2
[111], such that a fixed shear angle of φ = 54.7◦
is established. It is independent of
the rake angle of the tool. The chip form is rectangular, and the chip thickness agrees with the
theoretical result calculated for this shear angle from the law of mass conservation. We find that the
force angle χ between the direction of the force and the cutting direction is independent of the rake
angle; however, it does not obey the predictions of macroscopic cutting theories, nor the correlations
observed in experiments of (polycrystalline) cutting of mild steel. Only for (strongly) negative rake
angles, the mechanism of plasticity changes, leading to a complex chip shape or even suppressing the
formation of a chip. In these cases, the force angle strongly increases while the friction angle tends
to zero.
More than ten years ago, ER-ANT1 was shown to act as an ATP/ADP antiporter and to exist in the endoplasmic reticulum (ER) of higher plants. Because structurally different transporters generally mediate energy provision to the ER, the physiological function of ER-ANT1 was not directly evident.
Interestingly, mutant plants lacking ER-ANT1 exhibit a photorespiratory phenotype. Although many research efforts were undertaken, the possible connection between the transporter and photorespiration also remained elusive. Here, a forward genetic approach was used to decipher the role of ER-ANT1 in the plant context and its association to photorespiration.
This strategy identified that additional absence of a putative HAD-type phosphatase partially restored the photorespiratory phenotype. Localisation studies revealed that the corresponding protein is targeted to the chloroplast. Moreover, biochemical analyses demonstrate that the HAD-type phosphatase is specific for pyridoxal phosphate. These observations, together with transcriptional and metabolic data of corresponding single (ER-ANT1) and double (ER-ANT1, phosphatase) loss-of-function mutant plants revealed an unexpected connection of ER-ANT1 to vitamin B6 metabolism.
Finally, a scenario is proposed, which explains how ER-ANT1 may influence B6 vitamer phosphorylation, by this affects photorespiration and causes several other physiological alterations observed in the corresponding loss-of-function mutant plants.
Biological clocks exist across all life forms and serve to coordinate organismal physiology with periodic environmental changes. The underlying mechanism of these clocks is predominantly based on cellular transcription-translation feedback loops in which clock proteins mediate the periodic expression of numerous genes. However, recent studies point to the existence of a conserved timekeeping mechanism independent of cellular transcription and translation, but based on cellular metabolism. These metabolic clocks were concluded based upon the observation of circadian and ultradian oscillations in the level of hyperoxidized peroxiredoxin proteins. Peroxiredoxins are enzymes found almost ubiquitously throughout life. Originally identified as H2O2 scavengers, recent studies show that peroxiredoxins can transfer oxidation to, and thereby regulate, a wide range of cellular proteins. Thus, it is conceivable that peroxiredoxins, using H2O2 as the primary signaling molecule, have the potential to integrate and coordinate much of cellular physiology and behavior with metabolic changes. Nonetheless, it remained unclear if peroxiredoxins are passive reporters of metabolic clock activity or active determinants of cellular timekeeping. Budding yeast possess an ultradian metabolic clock termed the Yeast Metabolic Cycle (YMC). The most obvious feature of the YMC is a high amplitude oscillation in oxygen consumption. Like circadian clocks, the YMC temporally compartmentalizes cellular processes (e.g. metabolism) and coordinates cellular programs such as gene expression and cell division. The YMC also exhibits oscillations in the level of hyperoxidized peroxiredoxin proteins.
In this study, I used the YMC clock model to investigate the role of peroxiredoxins in cellular timekeeping, as well as the coordination of cell division with the metabolic clock. I observed that cytosolic 2-Cys peroxiredoxins are essential for robust metabolic clock function. I provide direct evidence for oscillations in cytosolic H2O2 levels, as well as cyclical changes in oxidation state of a peroxiredoxin and a model peroxiredoxin target protein during the YMC. I noted two distinct metabolic states during the YMC: low oxygen consumption (LOC) and high oxygen consumption (HOC). I demonstrate that thiol-disulfide oxidation and reduction are necessary for switching between LOC and HOC. Specifically, a thiol reductant promotes switching to HOC, whilst a thiol oxidant prevents switching to HOC, forcing cells to remain in LOC. Transient peroxiredoxin inactivation triggered rapid and premature switching from LOC to HOC. Furthermore, I show that cell division is normally synchronized with the YMC and that deletion of typical 2-Cys peroxiredoxins leads to complete uncoupling of cell division from metabolic cycling. Moreover, metabolic oscillations are crucial for regulating cell cycle entry and exit. Intriguingly, switching to HOC is crucial for initiating cell cycle entry whilst switching to LOC is crucial for cell cycle completion and exit. Consequently, forcing cells to remain in HOC by application of a thiol reductant leads to multiple rounds of cell cycle entry despite failure to complete the preceding cell cycle. On the other hand, forcing cells to remain in LOC by treating with a thiol oxidant prevents initiation of cell cycle entry.
In conclusion, I propose that peroxiredoxins – by controlling metabolic cycles, which are in turn crucial for regulating the progression through cell cycle – play a central role in the coordination of cellular metabolism with cell division. This proposition, thus, positions peroxiredoxins as active players in the cellular timekeeping mechanism.
Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der kulturellen Partizipation der einwandernden Bewölkerung an kulturellen Entwicklungsprozessen in deutschen Städten. Zum
einen fokussiert sich die Masterarbeit auf die Kulturorganisationen des sogenannten Dritten Sektors und den Nutzen, den diese durch einen besseren Zugang Neuzugewanderter in der Stadt zum Kulturangebot ziehen können. Es wird der Frage nachgegangen, wie die Einbindung der Bevölkerung mit Zuwanderungsgeschichte in die Kulturarbeit optimiert werden kann. Das könnte für lokale Kulturanbieter den Anschluss
an ein neues Publikum bedeuten und sich also positiv auf die Einnahmen auswirken.
Ein weiterer bedeutender Faktor, der damit in Verbindung stehen kann, ist das künstlerische Potenzial, das einzelne der neuen Stadtbürger womöglich mitbringen. Ein besserer
Zugang zu dieser Zielgruppe könnte für Kulturorganisationen auch gleichzeitig ein Durchbruch zu anderen Kunst- und Kulturtraditionen bedeuten. Es könnten andere Themen herausgearbeitet werden und das Programmangebot innovativer ausfallen.
Die kulturelle Einbindung Neuzugewanderter setzt aber eine intensive Auseinandersetzung
mit der soeben skizzierten Thematik voraus, für die Ressourcen wie Zeit notwendig
sind, aber auch die Bereitschaft, neue Wege einzuschlagen. Insofern erscheint es als zwingend notwendig, die kulturellen Bedürfnisse dieser Bevölkerungsgruppe zu erkunden, was als eine zentrale Aufgabe dieser Arbeit angesehen wird.
In this thesis, we present the basic concepts of isogeometric analysis (IGA) and we consider Poisson's equation as model problem. Since in IGA the physical domain is parametrized via a geometry function that goes from a parameter domain, e.g. the unit square or unit cube, to the physical one, we present a class of parametrizations that can be viewed as a generalization of polar coordinates, known as the scaled boundary parametrizations (SB-parametrizations). These are easy to construct and are particularly attractive when only the boundary of a domain is available. We then present an IGA approach based on these parametrizations, that we call scaled boundary isogeometric analysis (SB-IGA). The SB-IGA derives the weak form of partial differential equations in a different way from the standard IGA. For the discretization projection
on a finite-dimensional space, we choose in both cases Galerkin's method. Thanks to this technique, we state an equivalence theorem for linear elliptic boundary value problems between the standard IGA, when it makes use of an SB-parametrization,
and the SB-IGA. We solve Poisson's equation with Dirichlet boundary conditions on different geometries and with different SB-parametrizations.
Micro machining with micro pencil grinding tools (MPGTs) is an emerging technology that can be used to manufacture closed microchannel structures in hard and brittle materials as well as hardened steels like 16MnCr5. At their current operating conditions, these tools have a comparatively short tool life. In previous works, MPGTs in combination with a minimum quantity lubrication (MQL) system were used to manufacture microchannels in 16MnCr5 hardened steel. The study has shown that steel adhesions clog the abrasive layer of MPGTs, most likely resulting from insufficient lubrication. In this paper, a metalworking fluid (MWF) supply method was developed to improve the process: a submerged micro grinding process, in which machining takes place inside a pool of MWF. In this study, the effect of seven types of MWFs on material adhesions at the bottom surface of the tool is evaluated. Equivalent good MWFs are then compared in a micro pendulum grinding experiment till failure.
Das primäre Ziel der vorliegenden Dissertation war es, vertiefte Kenntnisse über die Luftpermeabilität von ultrahochfesten Betonen (engl. UHPC) zu erlangen. Auf Grundlage von experimentellen Untersuchungen wurden herstellungsbedingte sowie lagerungsbedingte Parameter erforscht, welche die Luftpermeabilität beeinflussen können. Von einem großen Interesse bei diesen Untersuchungen war die Beobachtung der Permeabilitätsänderung über die Zeit an drei UHPC-Mischungen mit verschiedenen Zusammensetzungen bei unterschiedlichem Betonalter (28, 90, 180 und 365 Tage). Darüber hinaus wurden potenzielle Korrelationen zwischen der Permeabilität und anderen Kennwerten des UHPC untersucht. Für die experimentellen Untersuchungen wurde ein neu an der Technischen Universität Kaiserslautern entwickeltes und validiertes Messverfahren zur Bestimmung des Permeabilitätskoeffizienten ultrahochfester Betone verwendet.
Insgesamt zeigten die Untersuchungsergebnisse, dass sowohl die Wärmebehandlung als auch die Wasserlagerung effiziente Maßnahmen zur Permeabilitätsreduktion sind. Die Untersuchungen zum Langzeitverhalten (bis 365 Tagen) deuteten auf einen wesentlichen Zusammenhang zwischen der Permeabilität und der vorgenommenen Nachbehandlung im jungen Betonalter (28 Tage) hin. Darüber hinaus nahm die Permeabilität unter Frost-Tau-Beanspruchung ab, was den hohen Widerstand von UHPC gegenüber solchen Expositionen erklärt.
Die hervorragenden Eigenschaften von UHPC eröffnen ein breites Spektrum neuer Anwendungsgebiete. Die sehr niedrige Luftdurchlässigkeit von UHPC ermöglicht dessen Verwendung im Bereich der Vakuumisolationspaneele (VIP). Diese Art der Vakuumdämmung weist ca. 1/5 bis 1/10 der Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu konventionellen Dämmungen auf, bei gleichzeitig sehr geringer Dicke (2 – 3 cm). Infolge des im Paneel erzeugten Vakuums wird der Wärmetransport durch Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung wesentlich behindert. Auf der Grundlage der aus den experimentellen Untersuchungen gewonnenen Permeabilitätswerte wurde eine kritische Beurteilung der Anwendbarkeit von UHPC als vakuumisoliertes Element vorgenommen.
Der flächendeckende Ausbau der Kläranlagen in Deutschland hat in den letzten Jahrzehnten zu einer deutlichen Verbesserung der Gewässerqualität geführt. Dennoch ist der ökologische Zustand vieler Gewässer immer noch unbefriedigend. Einen negativen Einfluss auf den Gewässerzustand haben Stoßbelastungen aus Mischwassereinleitungen, die empfindliche aquatische Ökosysteme aufgrund von hydraulischem Stress und stofflichen Belastungen nachhaltig schädigen können.
Diese Arbeit liefert einen Beitrag dazu, wie hoch aufgelöste Online-Messdaten zur Optimierung des Kanalnetzbetriebs genutzt werden können. Hierfür wurden zwei reale Regenüberlaufbecken (RÜB) im Mischsystem in Süddeutschland für zwei Jahre mit Online-Spektrometersonden zur Erfassung von Äquivalenzkonzentrationen von abfiltrierbaren Stoffen (AFS), chemischem Sauerstoffbedarf (CSB, gesamt und gelöst) und Nitrat ausgestattet. Zusätzlich wurden hydrometrische Messdaten an den RÜB vom Betreiber des Entwässerungssystems bereitgestellt.
Den ersten Teil der Arbeit bilden Fracht- und Volumenauswertungen der Einstauereignisse an den beiden RÜB. Die Untersuchungen sollen zum besseren Verständnis der stoffspezifischen und hydraulischen Vorgänge im Mischsystem beitragen. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Verbesserung des Kanalnetzbetriebes unter direkter Verwendung von Messdaten erprobt. Für diese messdatenbasierte Simulation werden gemessene Ganglinien von Abflussmenge und Feststoffkonzentration direkt als Systeminput eines Transportmodells verwendet. Anhand dieses Modells werden verschiedene Kanalnetzbewirtschaftungsstrategien untersucht. Die folgenden Erkenntnisse lassen sich anhand der durchgeführten Auswertungen ableiten:
Eine Vorhersage der Spülstoßintensitäten anhand der Charakteristiken der Trockenphasen vor den Ereignissen oder der Eigenschaften der Niederschlagsereignisse selbst ist im Untersuchungsgebiet nicht möglich. Eine konstante Akkumulation der Schmutzstoffe auf der Gebietsoberfläche, wie sie in gängigen Qualitätsmodellen angesetzt wird, ist in den Untersuchungsgebieten ebenso wenig vorhanden. Somit kann die Abflussqualität im Untersuchungsgebiet nicht zuverlässig simuliert werden. Betriebsentscheidungen, die auf Basis von Schmutzfrachtmodellen getroffen werden, sind demnach höchst unsicher.
Die in dieser Arbeit neu vorgestellte messdatenbasierte Simulation umgeht diese Unsicherheiten und ersetzt sie durch die Messunsicherheiten selbst. Sie kann die Effizienz verschiedener Bewirtschaftungsstrategien, wie die Verwendung statisch optimierter Drosselabflüsse oder die dynamische Echtzeit-Steuerung von Speicherräumen, zuverlässig bewerten. Eine Dauer der zugrunde liegenden Messdatenzeitreihe von etwa vier Monaten mit mittlerer Niederschlagscharakteristik und etwa 10 Niederschlagsereignissen ist im untersuchten fiktiven System ausreichend für verlässliche Ergebnisse der messdatenbasierten Simulation. In komplexeren Gebieten kann der Datenbedarf höher sein. Die Methodik liefert unter Berücksichtigung der üblichen Messunsicherheiten robuste Ergebnisse.
Im Rahmen der Promotion wurden zwei Projekte bearbeitet, die sich mit der Darstellung und Untersuchung Cyclopeptid-basierter Derivate zur Erkennung von Anionen beschäftigten.
Dabei wurde im ersten Projekt der Arbeit eine neue, modulare Synthesestrategie zur Darstellung von dreifach verbrückten Bis(cyclopeptiden) entwickelt, die auf der Verwendung eines Templats und der Ausbildung von Amidbindungen zwischen den Untereinheiten basiert. Mit Hilfe dieser Methode gelang es ein Käfig-artiges Bis(cyclopeptid) mit Diglycolsäure als Linker zwischen den beiden Cyclopeptidringen darzustellen und dieses hinsichtlich seiner Anionenaffinität zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass Sulfat von diesem Rezeptor mit der höchsten bisher gemessenen Bindungskonstante Amid-verbrückter Bis(cyclopeptide) in kompetitiven, wässrigen Lösungsmittelgemischen gebunden wird. Ein Vergleich mit dem ebenfalls synthetisierten einfach verbrückten Analogon und weiteren, bekannten Vertretern dieser Rezeptorklasse erlaubte darüber hinaus eine Korrelation zwischen der Anzahl und Struktur der Linker und der daraus resultierenden Anionenaffinität. Dabei wurde deutlich, dass eine Erhöhung der Linkeranzahl einen signifikanten Anstieg der Anionenaffinität bewirkte, wenngleich diese durch weitere Optimierung der Linkerstruktur potenziell noch weiter verbessert werden kann. Dies sollte im Fokus zukünftiger Arbeiten stehen, wobei auf Basis der erarbeiteten Synthesestrategie weitere Derivate dreifach verbrückter Bis(cyclopeptide) einfach zugänglich sein sollten.
Im zweiten Projekt der Arbeit wurde eine optische Sonde entwickelt, die einen einfachen Nachweis von Anionen in Wasser ermöglicht. Dazu wurde mittels eines zweistufigen Verfahrens ein gemischt-funktionalisierter Goldnanopartikel dargestellt, auf dessen Oberfläche solubilisierende Triethylengycol-haltige Liganden und funktionelle Cyclopeptid-haltige Liganden immobilisiert wurden. Die so erhaltenen Goldnanopartikel waren homogen und in Wasser löslich, aggregierten aber, sobald der Lösung Natriumsulfat zugesetzt wurde. Sie erlaubten entsprechend den Sulfat-Nachweis mit bloßem Auge, da die Nanopartikel-Aggregation zu einer Entfärbung der ursprünglich roten Lösung und der Bildung eines Niederschlags führte. Keines von acht weiteren getesteten Anionen hatte einen analogen Effekt, sodass sich der Nachweis von Sulfat als überaus selektiv erwies. Somit wurde ein vielversprechendes Konzept für die Entwicklung optischer Sonden für Anionen entwickelt, das in zukünftigen Arbeiten auf den Nachweis anderer Anionen übertragen werden sollte.
In a (linear) parametric optimization problem, the objective value of each feasible solution is an affine function of a real-valued parameter and one is interested in computing a solution for each possible value of the parameter. For many important parametric optimization problems including the parametric versions of the shortest path problem, the assignment problem, and the minimum cost flow problem, however, the piecewise linear function mapping the parameter to the optimal objective value of the corresponding non-parametric instance (the optimal value function) can have super-polynomially many breakpoints (points of slope change). This implies that any optimal algorithm for such a problem must output a super-polynomial number of solutions. We provide a method for lifting approximation algorithms for non-parametric optimization problems to their parametric counterparts that is applicable to a general class of parametric optimization problems. The approximation guarantee achieved by this method for a parametric problem is arbitrarily close to the approximation guarantee of the algorithm for the corresponding non-parametric problem. It outputs polynomially many solutions and has polynomial running time if the non-parametric algorithm has polynomial running time. In the case that the non-parametric problem can be solved exactly in polynomial time or that an FPTAS is available, the method yields an FPTAS. In particular, under mild assumptions, we obtain the first parametric FPTAS for each of the specific problems mentioned above and a (3/2 + ε) -approximation algorithm for the parametric metric traveling salesman problem. Moreover, we describe a post-processing procedure that, if the non-parametric problem can be solved exactly in polynomial time, further decreases the number of returned solutions such that the method outputs at most twice as many solutions as needed at minimum for achieving the desired approximation guarantee.
This contribution presents the results of a replication study on the learning effect of tablet-supported video analysis compared to traditional teaching sequences using non-digital experimental materials in the subject areas of uniform and accelerated motion in high school physics lessons. In addition to the replication of the preliminary study results recently published in this journal (Becker et al 2018, 2019), the investigation of the effect on the cognitive load as well as the emotional state of the students is another focal point. Compared to the preliminary study, the sample size was significantly increased from N = 109 to N = 294. The individual effects of the preliminary study could be replicated in this way. For both topics, a significant reduction of extraneous cognitive load and a positive effect on intervention-induced emotions could be demonstrated. Moreover, the theoretically founded causal relationship between emotion, cognitive load, and learning achievement could be empirically verified by means of structural equation modeling.
Die Ergebnisse der vorliegenden Synopsis konnten an vergleichsweise hohen Probandenzahlen zeigen, dass die auftretenden Amplituden der Kopfbeschleunigungen stark von der Herangehensweise (Stand, Sprung, Lauf) abhängen. Was zunächst trivial erscheint, ist nun evidenzbasiert und von hoher praktischer Relevanz. Bei der Technikvermittlung sind somit zunächst Kopfballvarianten aus der Standposition vorzuziehen, da diese zu einer geringeren Beschleunigung des Kopfes führen als Varianten welche mit einem Anlauf gekoppelt werden (Stand vs. Sprung). Kopfballvarianten mit einem erhöhten koordinativen Anforderungsprofil (Sprung) führen nicht zwangsläufig zu einer erhöhten Kopfbeschleunigung, sollten jedoch aus methodischen Gründen trotzdem zu einem späteren Zeitpunkt trainiert werden. Das eingesetzte Kopfballpendel führte zu Kopfbeschleunigungen zwischen 5.2 und 7.8 G. Diese Werte liegen deutlich unterhalb derer, die bei beschleunigten Bällen gemessen werden, was für den Einsatz des Kopfballpendels bei der Technikschulung spricht. Der Rumpfmuskulatur wird eine große Bedeutung bei der technischen Umsetzung von Kopfbällen zugesprochen [120]. Die vorliegenden Ergebnisse konnten jedoch keinen Anstieg der Kopfbeschleunigung nach Ermüdung der Rumpfmuskulatur darlegen. Ein Pre-Post-Vergleich bei beschleunigten Bällen muss folgen, um dies weiterführend untersuchen zu können. Vergleichbare Ergebnisse und Interpretationen liegen nun zur Wirksamkeit einer 6-wöchigen Hals-Nackenkräftigung vor, welche bei dem statischen Kopfballpendel keine Änderungen der Kopfbeschleunigung zur Folge hatten. Kritisch reflektiert werden müssen insbesondere die Art und Dauer sowie die Inhalte einer solchen Intervention. Dennoch steckt hinter dieser Hypothese weiterhin ein vielversprechender Ansatz das Kopfballspiel sicherer zu machen. Die Ausrichtung des Kopf-Hals-Rumpfsegmentes steht in keinem direkten Zusammenhang zur resultierenden Beschleunigung des Kopfes, wonach eine erhöhte Nickbewegung nicht mit einer erhöhten Kopfbeschleunigung korreliert. Im nächsten Schritt muss ein intraindividueller Vergleich vorgenommen werden, da die Kompensationsmechanismen höchst individuell sind. Außerdem sollte zukünftig die maximale Kopfbeschleunigung - unabhängig von dem Zeitpunkt - mit dem Winkel (Kopf, HWS) während des ersten Ballkontaktes verglichen werden, statt den zeitsynchronen Vergleich des Winkels und der in diesem Moment messbaren Kopfbeschleunigung vorzunehmen.
In search of new technologies for optimizing the performance and space requirements of electronic and optical micro-circuits, the concept of spoof surface plasmon polaritons (SSPPs) has come to the fore of research in recent years. Due to the ability of SSPPs to confine and guide the energy of electromagnetic waves in a subwavelength space below the diffraction limit, SSPPs deliver all the tools to implement integrated circuits with a high integration rate. However, in order to guide SSPPs in the terahertz frequency range, it is necessary to carefully design metasurfaces that allow one to manipulate the spatio-temporal and spectral properties of the SSPPs at will. Here, we propose a specifically designed cut-wire metasurface that sustains strongly confined SSPP modes at terahertz frequencies. As we show by numerical simulations and also prove in experimental measurements, the proposed metasurface can tightly guide SSPPs on straight and curved pathways while maintaining their subwavelength field confinement perpendicular to the surface. Furthermore, we investigate the dependence of the spatio-temporal and spectral properties of the SSPP modes on the width of the metasurface lanes that can be composed of one, two or three cut-wires in the transverse direction. Our investigations deliver new insights into downsizing effects of guiding structures for SSPPs.
In recent years, thermoplastic composites (TPCs) have been increasingly used for
aerospace and automotive applications. But also other industrial sectors, such as the
medical technology, have discovered the benefits of this material class. Compared to
thermoset composites, TPCs can be recycled more easily, remelted, and welded. In
addition to that, TPC parts can be produced economically and efficiently. As an example,
short cycle times and high production rates of TPCs can be realised with the
injection moulding processing technology. Injection moulded parts have the advantage
that function integration is feasible with relatively little effort.
However, these parts are characterised by discontinuous fibre reinforcement. Fibres
are randomly distributed within the part and fibre orientation can show significant local
variations. Whereas the highest stiffness and strength values of the material are
achieved parallel to fibre orientation, the lowest values are present in transverse direction.
As a consequence, structural mechanical properties of injection moulded
discontinuous fibre reinforced parts are lower compared to their continuous fibre reinforced
counterparts. Continuous fibre reinforced components show excellent specific
mechanical properties. However, their freedom in geometrical product design is restricted.
The aim of this work is to extend the applicability of TPCs for structural mass products
due to the realisation of a high-strength interface between discontinuous and
continuous fibre reinforced material. A hybrid structure with unique properties is produced
by overmoulding a continuous unidirectional endless carbon fibre (CF) reinforced
polyether ether ketone (PEEK) insert with discontinuous short CF reinforced
PEEK. This approach enables the manufacturing of structural mass products in short
cycle times which require both superior structural mechanical properties and sufficient
freedom in product design. However, sufficient interface strength between the discontinuous
and continuous component is required.
This research is based on the application case of a pedicle screw system which is
a spinal implant used for spine stabilisation and fusion. Since the 1990s, CF-PEEK
has been successfully used for spinal cages, and recently also for pedicle screws and
pedicle screw systems. Compared to metallic implants, CF-PEEK implants show several
advantages, such as the reduction of stress shielding, the prevention of artefacts
in medical imaging technologies (X-ray, computer tomography scan, or magnetic resonance
imaging) or the avoidance of backscattering during radiotherapy. Pedicle screws,
which are used in the lumbar spine region, are subjected to high forces and moments.
Therefore, a hybrid composite pedicle screw was developed which is based on the
overmoulding process described before.
Different adherence tests were conducted to characterise the interface strength between
short and endless CF reinforced PEEK. However, no standardised test method
existed for interface strength characterisation of overmoulded structures. Sufficient interface
strength could only be achieved if a cohesive interface was formed. Cohesive
interface formation due to the melting of the surface of the endless CF reinforced PEEK
insert after contact with the molten mass required an insert pre-heating temperature of
at least 260 °C prior to overmoulding. Because no standardised test method existed
for interface strength characterisation of overmoulded structures, a novel test body was
developed. This cylinder pull-out specimen did not require any relevant rework steps
after manufacturing so that the interface strength could be directly tested after overmoulding.
Pre-heating of the endless CF reinforced PEEK inserts resulted in a 73%
increase in interface strength compared to non-pre-heated inserts.
In addition to that, a parametric finite element pedicle screw-bone model was developed.
By parametric optimisation, the optimal hybrid composite pedicle screw design
in terms of pull-out resistance was found. Within the underlying design space, the
difference in screw stability between the worst and the best screw design was approximately
12 %. The resulting design recommendations had to be opposed to the
manufacturing requirements to define the final screw design. The moulds of the injection
moulding machine were manufactured according to this design so that the hybrid
composite pedicle screw could be produced.
The findings of extensive material and interface characterisation were crucial for the
achievement of a cohesive interface between insert and overmould so that superior
structural mechanical properties of the hybrid composite pedicle screw could be
achieved. For example, the bending strength of hybrid composite screws was approximately
48% higher than the bending strength of discontinuous short CF reinforced
PEEK screws. Additionally, fatigue resistance was enhanced by the hybrid screw configuration
so that the risk of premature pedicle screw failure could be reduced. In the
breaking torque test, hybrid composite screws showed a reduction of 11% in their
breaking torque values compared to their discontinuous fibre reinforced counterparts.
However, not only in this test but also in the quasi-static and cyclic bending test, structural
integrity of the hybrid composite screws could be maintained which is important
for implant components.
Whole-body electromyostimulation (WB-EMS) is an extension of the EMS application known in physical therapy. In WB-EMS, body composition and skinfold thickness seem to play a decisive role in influencing the Ohmic resistance and therefore the maximum intensity tolerance. That is why the therapeutic success of (WB-)EMS may depend on individual anatomical parameters. The aim of the study was to find out whether gender, skinfold thickness and parameters of body composition have an influence on the maximum intensity tolerance in WB-EMS. [Participants and Methods] Fifty-two participants were included in the study. Body composition (body impedance, body fat, fat mass, fat-free mass) and skinfold thicknesses were measured and set into relation to the maximum intensity tolerance. [Results] No relationship between the different anthropometric parameters and the maximum intensity tolerance was detected for both genders. Considering the individual muscle groups, no similarities were found in the results. [Conclusion] Body composition or skinfold thickness do not seem to have any influence on the maximum intensity tolerance in WB-EMS training. For the application in physiotherapy this means that a dosage of the electrical voltage within the scope of a (WB-) EMS application is only possible via the subjective feedback (BORG Scale).