Student projects

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. Huvi korral võta ühendust. Mõnede teemade kirjeldused on inglise keeles. Nende teemade juhendajateks on külalisteadlased ja -õppejõud.

Eksperimentaalne materjaliteadus

Biorakendusteks sobiv "kunstlihas"

(20.09.2017)

Bioinspireeritud robootika on tänapäeva inseneritehnoloogia ja teaduse peamisi arengusuundi. Traditioonilised aktuaatorid ei ole pehmetes ja painduvates robotites rakendatavad, seega on antud rakenduse jaoks juba aastakümneid uuritud elektroaktiivseid polümeerseid täitureid (electroctive polymer - EAP). Nõudmised materjalile on kõrged: ideaalne aktuaator omab laia liigutusulatust juba madalal pingel, on kiire, kerge, vastupidav ning lihtsalt ja odavalt toodetav. Ühe EAPde rakendusena välja pakutud biomeditsiinilistes seadmetes (implantaadid, tehiskoed) on lisaks vajalik biosobivus. Antud projekti eesmärk on välja töötada biosobiv ioonne elektromehaaniline polümeerne täitur (ionic electroactive polymer - IEAP). Uuritav materjal koosneb juhtivpolümeersete elektroodide vahele paigutatud biopolümeersest membraanist, elektrolüüdina kasutatakse madala toksilisusega looduslikku päritolu ioonseid vedelikke. Bakalaureuse ja magistritöö teemasid on välja pakkuda projekti erinevates etappides:

• Ioonsete vedelike süntees ja karakteriseerimine
• Ioonsete vedelike segude uurimine nii eksperimentaalselt kui arvutuskeemia meetodeid kasutades
• Biopolümeersete poorsete membraanide valmistamine erinevatel meetoditel ja uurimine, kuidas ioonsed vedelikud membraaniga interakteeruvad ning selles liiguvad
• Juhtivpolümeersete elektroodide keemiline ja elektrokeemiline sadestamine biopolümeerse membraani pinnale
• Ioonsete vedelike ja juhtivpolümeeride interaktsioonid elektriväljas

Süsinikelektroodidega polümeersed täiturid

Kunstlihaseid ehk elektroaktiivseid polümeerseid täitureid on väga palju erinevaid. Nanopoorsest süsinikust elektroodidega ioonsed täiturid töötavad madalpingel ning neil 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 süsinikmaterjale (süsinikaerogeeli, karbiidset süsinikku, süsiniknanotorusid jpt), ioonseid vedelikke, polümeere. Teine suund keskendub uute kunstlihase valmistamise tehnoloogiate rakendamisele. Uurime materjalide omadusi ja toimimismehhanisme, et kasutada neid aktuaatorite ning sensoritena. Bakalaureuse- ja magistritööks on teemasid mõlemast suunast:

• uut tüüpi nanomaterjali kasutamine täituri elektroodina
• süsinik-kserogeeli valmistamine ja struktuur-omadus seoste uurimine
• täituri valmistamine vurrkatmise meetodil (spin-coating)

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.

Mikroakude valmistamine printimistehnoloogiat kasutades

(20.09.2017)

Mikroakude arendamise vajalikkusest on juttu allpool lõigus Liitium-ioon akude arhitektuuri optimeerimine arvutisimulatsioonide abil. Printimine on potentsiaalne tehnoloogia 3D mikroakude valmistamiseks, ka tööstuslikus mastaabis, sest võimaldab kontrollitavalt luua funktsionaalsetest materjalidest erinevaid keerukaid kihilisi struktuure. Seonduvad uurimistöö teemad on:

• sobivate omadustega süsinikpulbri sünteesimise uurimine
• elektroodide ja membraani printimissegu koostise väljatöötamine
• 3D struktuuride printimine ja iseloomustamine

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.

Biokütuseelement

Biokütuseelement on bioreaktor, mis muundab orgaaniliste ühendite keemiliste sidemete energia elektrienergiaks. Näiteks glükoosil ja hapnikul töötavad biokütuseelemendid, mis on võimelised energiat korjama erinevates bioloogilistest vedelikest, on paljulubavad seadmed rakendamiseks energiaallikatena mitmesugustes bioelektrilistes implantaatides nagu insuliinipumbad, ravimidosaatorid, närvistimulaatorid, südamestimulaatorid. Antud projekt tegeleb uudse elektroodimaterjali väljatöötamisega biokütuseelemendi jaoks.

Pehmed kantavad sensorid

Kõikvõimaliku kantava elektroonika populaarsuse kasv on suurendanud huvi pehmete sensorite vastu, mis mõõdaksid objektide (näiteks inimese keha) kuju ja asendit ilma liikumist takistamata. Senise uurimistöö käigus on välja töötatud sensortald, mis võimaldab sportlasel jälgida jala aluse rõhu jaotust aga ka igal sammul rakendatavat võimsust. Mitmekihiliste elastsete sensorite võrgustik suudab jälgida kehakuju muutust või liikumist, mõõtes korraga nii pikenemist kui painet. Uurimistöö jätkub erinevate uudsete jala- ja keha sensorite väljatöötamiseks.

Multifunktsionaalsete tekstiilmaterjalide arendus

CaSO4 crystal in autoclaved aerated concrete, SEM 500x

Tänapäeval oodatakse kangastelt enam kui lihtsalt keha soojas hoidmist, eriti spordi- või militaarrakendustes. Projekti eesmärgiks on välja töötada uudne kangas, mis oleks võrreldav tugevate erikangastega, olles neist pehmem ja kergem, ei määrduks ega võtaks vett sisse ning oleks samas hingav. Selleks tuleb leida nii optimaalsed kiumaterjalid kui nendele sobiv nanotehnoloogiline järeltöötlus.

Materjalide arendus tööstusele

Projekti raames lahendatakse erinevate tööstuspartnerite tehnoloogilisi probleeme või arendatakse neile uusi tooteid. Mõned näited:

• mittepõlev silikoonvaht istmepolstrite jm pehmenduste jaoks;
• mikroarmatuuriga poorbetoon, mis oleks korraga konstruktsiooni- ja isolatsioonimaterjal;
• kiirbetooni omaduste optimeerimine
• šlakigraanulite taaskasutus
• klaasi keemiline karastamine

Arvutieksperimendid ja materjalide simuleerimine

Materjalidefektide simuleerimine kõrgsageduslikes elektriväljades

Nutikas 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, http://clic-study.web.cern.ch/) on CERN-is arendatav uue põlvkonna lineaarkiirendi, kus osakeste kiirendamine toimub sirgjoonelistel trajektooridel. Lineaarkiirendi rakendusvaldkondadeks on näiteks standardmudeli järgne füüsika (physics beyond the standard model), Higgsi bosoni täppismõõtmised ning meditsiinilised valdkonnad, nagu näiteks vähiravi. 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.

Mõningad näited lõputööde teemadest on: 1. Vase polükristallide mõju materjali sisepingetele lõplike elementide meetodiga 2. Raadiosageduslike elektriväljade mõju pinnadefektidele 3. Pinnadefektide mõju elektroodi keskmisele väljumistööle 4. Elektrivälja mõju pinnadefektide genereerimisele - in situ SEM ja arvutisimulatsioonide abil

PS! Võimalik osalemine CERNi suvetudengite programmides ning suvine CERNis praktiseerimine.

Kunstlihaste materjalide uurimine erinevate arvutisimulatsioonimeetodite abil

• Tegemist on materjaliga, 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.

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 doktoritöödeks. 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 doktoritöödeks. 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

Signal and Image Processing (Signaali ja Pilditöötlus)

If you are interested in doing any of the following projects as your BSc project or if you would like to get more information please feel free to contact me via shb-AT-ut-DOT-ee

For full list of project description please visit http://icv.ims.ut.ee/projectspage.html [[1]]

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 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.

Juhendmaterjali koostamine koolirobootika tarbeks

Töö eesmärgiks on koostada õpetajatele juhendmaterjale ja põnevaid tööülesandeid, aga samuti ülesandeid, mis aitavad lastel õppida füüsikat, matemaatikat, keemiat ja bioloogiat. -->

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. Lisaks ootame tudengitelt aktiivset osavõttu kord nädalas toimuvast labori seminarist ja journal club'ist, kus harjutatakse avalikku esinemist, et kaitsmisel oleks lihtsam.

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.