Student projects

Bakalauruse-, magistri- ja doktoritööd

Siin on mõned tegemised, mide meie uurimisgrupi juures on võimalik teha. Tegemist pole lõpliku nimekirjaga ning head tegijad on alati oodatud huvitavate ideedega. Kõikidest teemadest on võimalik edasi minna kuni PhD kaitsmiseni. Tegijad, kes teevad oma töö hindele A, saavad ka väärilise töötasu. Huvi korral võta ühendust. Mõnede teemade kirjeldused on inglise keeles. Nende teemade juhandajateks on külalisteadlased ja -õppejõud.

Eksperimentaalne materjaliteadus

Süsinikelektroodidega polümeersed täiturid

Kunstlihased, ehk elektroaktiivseid polümeerseid komposiitmaterjale on väga palju erinevaid. Meie tegeleme madapingeliste, ioonsete materjalidega, millel on mitmed eelised kasutamiseks mikroseadmetes ja meditsiinis. Hetkel on eesmärgiks edasi arendada ioonvedelik-süsinikmaterjale. Kasutame erinevaid süsinikke- aerogeelid, karbiidsed süsinikud, nanotorud jpt. Töö eesmärgiks on valmistada erinevad aktuaator-sensormaterjalid, uurida nende valmistamise võimalusi ja nende omadusi.

Kunstlihased kosmoserakendustes

Meie poolt valmistatavad materjalid on kerged ning juhitavad madalate elektripingetega. Seetõttu pakuvad nad huvi kosmosetehnoloogia seadmete valmistajatele. Töö eesmärgiks on uurida kiirguse, temperatuuri jpt kosmoses materjalidele mõjuvate kahjustvate toimete mõju.

Tekstiilikiudude märgumisvastase tehnoloogia (Gore-tex) analüüs skaneeriva elektronmikroskoobiga

Kaasaegsete tekstiilmaterjalide töötluste juures on üheks olulisemaks suunaks materjalide vee– ja määrdumiskindluse suurendamine. Kui kootud materjalide (enamus kangaid) puhul on enamvähem toimivad lahendused (nn Gore-tex) välja töötatud, siis sidumata kiudude korral (näiteks paelad) need meetodid paraku enamasti ei toimi. Samas on tekstiilitööstuses kasvav huvi kvaliteetsete veekindlate paelte vastu. Koostöös Eesti (ja Põhjamaade ning Ida-Euroopa) juhtiva paelatootjaga on TÜ IMS laboris arendamisel innovaatilised töötlustehnoloogiad, mis peaksid võimaldama niisuguste materjalide tootmiseni jõuda. Kvaliteedi peamiseks kriteeriumiks peab olema kapillaarse märgumise puudumine. Nende protsesside uurimiseks oleme kasutusele võtnud kontrastainega „ilmutamise“ ning järgneva skaneeriva elektornmikroskoopia (SEM).

Juhtivpolümeeridel põhinevate mitmekihiliste kunstlihaste valmistamine ja iseloomustamine

Kunstlihased, sensorid ja energiahõiveseadmed on elektritjuhtivate orgaaniliste polümeeride uudsemateks ja põnevamateks arengusuundadeks. Neid loodetakse kasutada meditsiinis, robootikas, kosmose- ja militaartööstuses. Enne laiaulatuslikku kasutuselevõttu on siiski vaja veel teha hulk arendustööd. Mitmekihilise disain loob eeldused juhtivpolümeerse materjali paremaks kontrollimiseks ning tema omaduste parandamiseks. TÜ IMS laboris on välja töötatud uudsed sünteesimeetodid metallivabade kunstlihaste valmistamiseks. Senistel lihtsa ühekihilise struktuuriga materjalidel on mitmeid puudusi (juhtuvuse langus, tundlikus väliskeskkonna mõjudele). Aktuatsiooni tekitavale polümeerikihile vastupidise ioonliikuvusega kihtide lisamine loob eelduse neid puudusi vältida.

Design of actuator performance (EAP development, technology), Master or bachelor student The focus of actuator research mainly based on actuator preparation in view of applied actuator material. This project is different from optimization of the actuator material itself, it will change the view to simple chemical modification of the underlying device. As example conducting polymers are operating in electrolyte and the construction of bilayer or trilayer based on electrochemical deposition of conducting polymer (CP) material. In order to take CP-bilayer only one site is covered with actuator material. The topic now lays on simple chemical modification of the other side (hydrophobic or hydrophilic coatings) to reduce the friction during the bending movement and therefore increase the displacement of the bilayer. Several other methods of secondary modifications will be induced to obtain better performance of artificial muscle applications.

Flexible autofocus fluid lens device development for application at invisible shirt technology Technology and EAP actuators, PhD student or 2 Master student Autofocus fluid lens device based on a formed interface between oil and water forming a lens, which change their form (concave or convex) under applied electric field. A new design based on conducting polymer actuators and modification thereof, changing the interface between oil and electrolyte over membrane actuation, which required less energy for application in portable devices (cell phone, laptops). The device need to be constructed and the actuator membrane adapted. Different work need to be done starting from the device construction in testing functionality and the set-up for the measurement of the actuator movement. The actuator performance has to be adapt in view of sufficient force, displacement and speed. The main focus for actuator will be electroactive polymer material (conductive polymers and others) and force in the range between 10-40mN should be achieved. The device functionality will be tested and modification need to be done for future applications in flexible electronic devices and smart shirt technologies.

Biosensor, Sensor based on surface modification of chiosan Polymer Chemistry and biotechnology, PhD, Master Student or 2 bachelor students Chtitosan as natural polysaccharide has broad application range in biomedical field. To obtain biosensors or other sensor, the sensor stability and lifetime is the crucial factor for application in industrial products. The idea for chitosan lays in minor modification to obtain on surface functional groups which will bind the enzymes covalent in chitosan. The chitosan membrane will be made conductive to obtain electrode functionality. The other direction is focused on selective catalyst, ion and sensor formation based on porphyrine on surface of chitosan.

Nanobubble formation mini device construction Technology, Surface science, PhD or Master student Nanobubbles (oxygen or ozone) in aqueous solution can be obtained over bursting of micro-bubbles and the goal of this project is to obtain such device which can be deducted between a water stream. The application of this device is focus on cleaning purpose of solar cells which is still a not solved topic in the market. The harvest of energy in solar cells decrease after 5 years in the range between 20-40 percent of unclean solar panels (dust and dirt). To find a simple not environmental damaging method is one of the reason applying just water and air in Nanobubble formation and cleaning functionality. The project focus on future collaboration with solar-companies, cleaning and fumigations purpose.

Arvutieksperimendid ja materjalide simuleerimine

Liitiumioon-polümeerakude ja kunstlihaste materjalide uurimine erinevate arvutisimulatsioonimeetodite abil

• liitiumioon-polümeeraku on üks olulisimaid osi tuleviku energiamuundamise ja -salvestamise vallas alates käepärastest elektroonikasedametest ja elektriautodest kuni kodumajapidamiseni välja
• kunstlihas on tükk sellist materjali, mida välise elektriväljaga on võimalik panna kuju muutma: painduma, punduma, kokku tõmbuma - nagu teeb reaalne lihas
• kunstlihase materjal võib ka reageerida välisele mehaanilisele kujumuutusele elektrilise signaaliga
• kunstlihas tegutseb hääletult, olles ise mõõtmetelt väga väike
• kunstlihase materjalidena uuritakse selliseid "hitte" nagu grafeen ja ioonvedelik
• arvutisimulatsioonid viivad sind materjali "sisse", võimaldades näha seda, mis katses jääb varju, anda infot toimuvate protsesside kohta ja näpunäiteid materjalide parendamiseks
• tahad teda, kuidas liigutab 2 cm pikkune riba kunstlihast? võta lõplike lementide meetod ja sa näed ära pinged ja deformatsioonid kujumuutmisel
• tahad teada, kuidas elektroodide kuju muutmine mõjutab liitiumioonaku mahtuvust - seda, kui kaua sinu elektriauto mööda Tartu-Tallinna maanteed suudaks kihutada? võta lõplike elementide meetod ja sa saad välja arvutada aku tühjenemise kiiruse sinu elektriauto toitmisel
• tahad teada, kuidas liiguvad ja mõjutavad üksteist aatomid ja molekulid kunstlihases ja liitiumioonaku elektroodides ning elektrolüüdis? võta molekulaardünaamiline simulatsioon ja sa saad siseneda maailma, mis on 10000 korda väiksem sinu juuksekarva läbimõõdust
• tahad virtuaalselt istuda iga aatomi peal ja näha, kuidas ühe aatomi elektronpilv lööb teise oma segamini? võta kvantkeemiline molekulaardünaamika ja sinu sõit lainefunktsioonide harjadel on pöörasem kui Ristna neemel Katja ajal.

Liitium-ioon akude arhitektuuri optimeerimine arvutisimulatsioonide abil

Kaasaskantav mikroakutoide on oluliseks faktoriks paljudes arenevates tehnoloogiasuundades, kuna mikroelektroonika mõõtmete vähenemine on jätnud kaugele seljataha väikesemõõduliste vooluallikate arengu. Sobivate kaasaskantavate vooluallikate vähene energiamahtuvus on saamas takistuseks mitmete tehnoloogiasuundade nagu kaasaskantavate arvutusseadmete (Weareable Computing Technology e. WCT), mikroelektromehaaniliste seadmete (MEMS), biomeditsiiniliste mikromasinate arengus. Üheks võtmeprobleemiks selliste seadmete edukaks toimimiseks on nende varustamine vooluallikatega, mis ühelt küljelt tagavad seadme piisava energiahulgaga varustamise ning teiselt küljelt, on võimalikult väikesemõõduised ning kergekaalulised. Sellise konfiguratsiooni juures tulevad ilmsiks olemasolevate, olemuselt kahemõõtmeliste (2D) liitium-ioonakude puudused – nii väikeste ruum- ja pindalade puhul ei ole võimalik saavutada piisavaid energiatihedusi. Seda probleemi võimaldab lahendada 3D mikroakude (MB) kasutusele võtmine. Liitiumioonakude arhitektuuri optimeerimise eesmärgiks on valmistada töötav 3D-MB, mille energiatihedus ning mahtuvus on vähemalt suurusjärgu võrra suuremad praegu kasutusel olevate akude omadest. Toimiva 3D-MB välja töötamiseks arendatakse ja uuritakse erinevaid mikroaku arhitektuure, neist sobiva väljavalimist ning optimeerimist lihtsustavad oluliselt teoreetilised, arvutisimulatsioonidega läbi viidavad uuringud, mis võimaldavad testida erinevaid 3D-MB arhitektuure, lahendada optimeerimisülesandeid elektroodide optimaalse geomeetria leidmiseks; optimeerida elektroodi pinda; uurida terve aku käitumist laadimisel-tühjakslaadimisel; optimeerida sobivaid mikroaku arhitektuure. Meetodid makrotasandis, mida selliste uuringute läbiviimiseks kasutatakse on lõplike elementide meetod (LEM) ning mikrotasandil molekulaardünaamilise simulatsiooni meetod (MD). Simulatsioonide läbiviimiseks kasutatakse LEM-i puhul tarkvarapakette COMSOL Multiphysics ja Elmer ning MD puhul tarkvarapaketti dl_poly.

Materjalidefektide simuleerimine kõrgsageduslikes elektriväljades

Uute elementaarosakeste tekitamiseks kiirendatakse elementaarosakesi kuni nende energiad ulatuvad mitme TeV piiridesse, kiirendamise efekt saavutatakse kahekiirelise kiirendiga. Eksperimentides kasutatakse uudse disainiga kompaktset lineaarpõrgutit (CLIC), asukohaga CERN’is Genfis ning see on paljude osakestefüüsikute poolt kauaoodatud seade, mis peaks andma vastuse paljudele olulistele osakestefüüsika küsimustele. Kahekiireline kiirendi CLIC suudab saavutada kiirendusgradiente  100 MV/m mille juures kokkupõrkeenergia ulatub 3TeV. Kiirendi ise on 50 km pikk. Üheks olulisemaks probleemiks kiirendi opereerimise juures on elektrilistest probleemidest põhjustatud töökatkestused. Kuigi probleem on hästi tuntud, ei ole teada millised füüsikalised effektid seda täpselt pühjustavad. Üks lubavamaid meetodeid kiirendi struktuuri parandamiseks on uute materjalide leidmine, mis suudavad taluda kõrgeid elektrivälju ning kiireid elektriväljade muutusi. Võtmeprobleemiks uute materjalide leidmisel on arusaamine füüsikalistest protsessidest, mis toimuvad materjalis elektriliste katkestuste tekkimisel. Meetodid, mida probleemi uurimisel kasutatakse on lõplike elementide meetod(LEM) ja molekulaardünaamika (MD) simulatsioonid.

Aktuaatorid, seadmed ja nende juhtimine

IPMC elektromehhaanilisi omadusi uuriva seadme juhtimine

Töö eesmärgiks on koostada eksperimentaalne seade, mis mõõdab elektroaktiivsete polümeeride elektromehaanilisi omadusi. Materjale kasutatakse kunstlihastena erinevates rakendustes. Töö tulemuseks peab valmima moodul, mis võimaldab seadet juhtuda USB kaudu.

IPMC täitureid kasutava autonoomse seadme konstrueerimine

Eesmärgiks on nn kunstlihaeid kasutavate materjalide abil liikuvate autonoomsete seadmete konstrueerimine ning töö kirjeldamine. Valik ideid: "putukas", ratas, minipurilennuk, mikrohumanoid jne.

Süsinik-polümeermaterjalidest täiturite juhtimine

Töö eesmärgiks on parametriseerida ning uurida materjaliteadlaste poolt laboris loodud uudsete materjalide elektromehaanilisi omadusi. St. vajalike elektromehaaniliste ja füüsikaliskeemiliste mudelite loomine, nende mudelite kirjeldamine ning eksperimentaalsete tulemuste vastu kinnitamine. Töö sobib (erinevates mahtudes) bakalaureus, magistri ja doktroritöödeks. Vajalik on võõrkeele oskus ning soov ja võimalus töötada aegajalt erinevates laborites välismaa ülikoolides.

IPMC/süsinik polümeermaterjalidest energiakogujate uurimine

Töö eesmärgiks on parametriseerida ning uurida materjaliteadlaste poolt laboris loodud uudsete materjalide elektromehaanilisi omadusi eesmärgiga vinkeskkonnas olevate vibratsioonidest saadav energia muundada elektrienergiaks. Töö kujutab endast vajalike elektromehaaniliste ja füüsikaliskeemiliste mudelite loomist, nende mudelite kirjeldamine nin eksperimentaalsete tulemuste vastu kinnitamine. Töö sobib (erinevates mahtudes) bakalaureuse, magistri ja doktroritöödeks. Vajalik on võõrkeele oskus ning soov ja võimalus töötada aegajalt erinevates laborites välismaa ülikoolides.

Fokuseeritava läätsesüsteemi konstrueerimine ja prototüüpimine

Eesmärgiks on ehitada lihtne prototüüp, mis suudab vedeliku rõhuga manipuleerides muuta pehme läätse fooksukaugust. Aktiivseks elemendiks on süsinik-polümeer materjalist valmistatud täitur ehk nn kunstlihas.

Robootika

Inimest jälgiv minirobotite farm

Töö eesmärgiks on luua robotite kooslus, mis suudab järgneda ruumis kõndivale inimesele. Selleks tuleb täiustada olemasolevat robotiplatformi lisamooduli(te)ga. Töö nõuab oskusi elektroonikas ja programmeerimises.

Roboti asukoha määramine ruumis kasutades olemas olevaid Wifi access pointe

Töö eesmärgiks on luua seade, mis suudab määra ta oma asukoha kaugust laialdaselt kasutusel olevast Wifi võrguseadmetest nii et olemasoelvaid võrguseadmeid ei modifitseerita. Kauguse abil on võimlik trangulatsiooni abil määrata seadme asukohta ruumis eeldusel et Wifi accesspointide asukoht on teada. Töö käigus on vaja välja töötada andmeside protokolli põhimõtted, koostaa seade ning realiseerida tarkvaraliselt protokoll ning viia läbi reaalsed testid. Töö sobib bakalaureuse, magistri ning doktoritööks, vastavalt milline alamülesanne ära lahendatakse.

Aldebaran Nao rakendamine

Aldebaran Nao on poolemeetrine humanoidrobot, kes on varustatud mitmete andurite ja mootoritega. Ülesandeks on Nao rakendamine erinevate vajalike ja huvitavate ülesannete täitmiseks: suhtlemine, jalgpalli mängimine jne. RM/Intel Atom baasil töötav miniarvuti.

Õpperobotid

Eesmärgiks on arendada välja meelalahutuslike robootika teemalisi vahendeid lastele nii AHHAA teaduskeskuse kui nn robotiteatri tarbeks. Töö sisaldab sadem kosntrueerimist,ning realiseerimist töötava prototüübi kujul. Konkreetseid ideid on mitmedi, kui uued ideed on ka oodatud.

Partneritega seotud teemad

Mehhanoelektriliste andurite uurimine

Töö eesmärgiks on eksperimentaalselt uurida erinevate mehaanilist liigutust elektriliseks muundavate materjalide omadusi. Töö hõlmab eksperimendi konstrueerimist ja arvutijuhitavate mõõtmiste teostamist LabVIEW keskkonnas. Sobib hästi arvutitehnika, füüsika ja materjaliteaduse tudengitele.

Robotmannekeen rõivatööstusele

Projekti eesmärgiks on arendada välja inimkeha kujuline mannekeen rõivatööstusele kiirendamaks ning parendamaks disainerrõivaste väljatöötamist. Projektis on vaja konstrueerida mehaanika sõlmed, realiseerida elektroonika juhtsõlmed, modeleerida ning luua algoritmid mannekeeni välispinna juhtimiseks ning arendada välja süsteemi kontroll tarkvara. Samuti on vaja arendada välja kasutajatarkvara. Projekti käigus tuleb koostööd teha mitemete põnevate inimestega, kes on aktiivsed moe- ja rõivatööstuse vallas. Sobib mitmeteks bakalaureuse ja magistritöödeks, sõltuvalt tasemest on ka töö maht erinev.

Õppetööga seotud

Sensori-anduri töö uurimine ja juhendmaterjali koostamine

Töö eesmärgiks on eksperimentaalselt parametriseerida robootikas/automaatikas kasutatav sensor/täitur ning tulemuse põhjal koostada protokoll ja metoodika selle kasutamiseks. -->

Üldine info bakalaureuse- ja magistritöö tegijatele

Teil on kaks juhendajat. Eeldame, et te vähemalt kord nädalas võtate vähemalt ühe juhendajaga kontakti ja arutate läbi oma mured ja tegemised.

Töö esimene versioon peab olema esitatud hiljemalt 1. maiks. Hilinemiseks sobivad ainult dokumentaalselt tõestatavad meditsiinilised põhjused. Esimene version peab sisaldama:

1. sissejuhatust, mis räägib, miks projekti tulemus on vajalik ja mida teised selles valdkonnas maailmas teinud on;
2. projekti teoreetilisi/matemaatilisi/mudeli aluseid lahti kirjutatuna;
3. tehtud tegevuse detailset kirjeldust (detaile pole kunagi liiga palju, delete on lihtsaim funktsioon, mida juhendaja teie kirjaliku töö ümber kirjutamisel :) teha saab);
4. töö tulemusi, st kas mõõtmistulemusi või seadme töötava! prototüübi tehniline kirjeldust ja seadet ennast;
5. hinnangut oma tööle, st töö tulemuste edasise arengu analüüsi, tulemuste analüüsi ja hinnangut töö tulemuse kvaliteedile.