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 juhendajateks on külalisteadlased ja -õppejõud.

Eksperimentaalne materjaliteadus

Süsinikelektroodidega polümeersed täiturid

Kunstlihaseid ehk elektroaktiivseid polümeerseid komposiitmaterjale on väga palju erinevaid. Meie tegeleme madalpingel töötavate ioonsete materjalidega, millel on mitmed eelised kasutamiseks mikroseadmetes ja meditsiinis. Hetkel on uurimisel kaks suunda. Esimese eesmärk on arendada kunstlihasetes kasutatavaid ioonvedelik-süsinik-polümeer komposiite, kasutades selleks erinevaid süsinikke— süsinikaerogeeli, karbiidset süsinikku, süsiniknanotorusid jpt. Teine suund keskendub uute kunstlihase valmistamise tehnoloogiate rakendamisele. 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 kahjustavate toimete mõju.

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 new devices. Carbide derived carbon materials is applied as actuator and conductive material to deposit conducting polymer on it. The interaction between these materials are object of the actuator studies with main goal to optimize actuator strain and stress. Improvement of actuator devices over additional chemical modification (hydrophobic or hydrophilic coatings) are included in the new design of actuator performance.

Flexible autofocus fluid lens device development for application at invisible shirt technology

IT, Technology andmaterial scientist, PhD student or 1 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 was constructed for testing the membrane actuator. To apply different EAP actuators on it and minimize the device, different work need to be done in installing electronic control and testing actuator membranes. Flexible fluid lens is the next step to integrate it in smart shirt technology obtaining invisible shirts (optical effect).

Scanning ionic conductance microscopy (SICM)

1 PhD or 2 master students, IT, physics, material science, technology SICM is a new instrument to measure ion movement on surface of conductive material. Double micro pipettes filled with electrolyte connecting the conductive sample and current in nano and pico level are possible to obtain. We are looking for students to make the SICM instrument applicable for actuator measurements to obtain more information of charging/discharging mechanism. With implementing electrochemical method on SICM we also want to establish micro-polymerization of conducting polymers on new smart devices. The main part for IT students is to help us to get the SICM instrument in operation mode. For a student in material science, chemistry or physics we want to investigate in situ actuation modes of actuator sample to get more information how ions trnsport inside of the electro active polymers.

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

Kunstlihaste materjalide uurimine erinevate arvutisimulatsioonimeetodite abil

• 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

Ettevõtlik ja asjalik tudeng, kes sa tunned huvi tänapäeva tippteaduse vastu ning soovid oma lõputööd teha CERN-iga seotud teemal ning tegutsedes CERN-is! Võta ühendust ning osale uue CERN-is baseeruva kiirendi väljatöötamisel! (Doktoritöö võimalus!)

Kompaktne lineaarpõrguti (CLIC) on CERN-is arendatav uue põlvkonna lineaarkiirendi, kus osakeste kiirendamine toimub sirgjoonelistel trajektooridel. Planeeritav seade on 50 km pikk ning sellega jõutakse energiateni 0.5 TeV - 5 TeV. Saavutamaks sellist energiat, kasutatakse kiirendavat elektrivälja, mis ulatub 100-150 MV/m. Sellistes kõrgetes elektriväljades avaldub olulise probleemina aga sage elektriliste läbilöökide tekkimine kiirendi elektroodidel.

Läbilöögid avalduvad vaakumkaartena (kaarlahendus vaakumis), ning üldiselt eeldatakse, et vaakumkaar algab elektrivälja võimendavate nanoskaalas olevatelt nõelasarnastelt pinnadefektidelt, nende pinnadefektide tekkemehhanism on ebaselge. Elektriliste läbilöökide kahandamine alla kriitilise piiri on keskse tähtsusega probleemiks CLIC-i ehitamisel!

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 läbilöögi eel ning ajal. Uurimustöös kasutatakse erinevaid arvutusmeetodeid, nagu molekulaardünaamika, lõplike elementide meetod ja kineetiline Monte-Carlo, selgitamaks elektriliste läbilöökideni viivate pinnadefektide tekkepõhjuseid. Töös vajalike aruvutisimulatsioonide läbiviimine tähendab, et suures plaanis kasutatakse nn. „multiscale“ simulatsioone, millega kaetakse materjalide simuleerimine alates atomistlikust skaalast kuni makroskaalani.

Lineaarkiirendi rakendusvaldkondadeks on näiteks standardmudeli järgne füüsika (physics beyond the standard model), Higgsi bosoni täppismõõtmised ning meditsiinilised valdkonnad, nagu näiteks vähiravi.

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.

Lahedad ideed kunstlihaste rakendamiseks

Ilmekas uksekoputi

Teha kunstlihastest ilmekas uksekoputi, vt. http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=-Kee7iyp_3U&list=TLC5Famb33RxE

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

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 seadme konstrueerimist,ning realiseerimist töötava prototüübi kujul. Konkreetseid ideid on mitmeid, kuid uued ideed on oodatud.

Partneritega seotud teemad

Süsinikelektroodidega täiturmaterjali tööstusliku tootmise ettevalmistamine

Projekti sisuks on välja töötada materjal ja metoodika kuidas valmistada süsinikelektroodidega täitureid tööstuslikke protsesse kasutades. Töö laiem eesmärk on selliste materjalide masstootmine.

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 mannekeeni alakeha 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 mitmete põnevate inimestega, kes on aktiivsed moe- ja rõivatööstuse vallas. Sobib mitmeteks bakalaureuse ja magistritöödeks, sõltuvalt tasemest on ka töö maht erinev.

Projektil on ka konkreetne rakendus vt www.fits.me

Puutetundlik sensor robotmannekeenile

Projekti eesmärgiks on arendada inimkeha kujuline mannekeenile puutetundlike "naha" välja arendamine. Projektis on vaja uurida ja testida erinevaid sensoreid, Leida olulised mõõtevahemikud ja mõõtetäpsused vastavalt vajadusele rakenduses. Projekti käigus tuleb koostööd teha mitmete 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.