Student projects: Difference between revisions

From Intelligent Materials and Systems Lab

No edit summary
 
(124 intermediate revisions by 12 users not shown)
Line 1: Line 1:
[[Image:IMS poster.png|300px|right]]
[[Image:IMS poster.png|300px|right]]
=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.''
''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 [[User:Alvo#Contacts|võta ühendust]]''. Mõnede teemade kirjeldused on inglise keeles. Nende teemade juhendajateks on külalisteadlased ja -õppejõud.
''Huvi korral [[User:Alvo#Contacts|võta ühendust]]''. Mõnede teemade kirjeldused on inglise keeles.  
 
='''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.
 
Tudeng sõlmib juhendajatega individuaalse juhendamise lepingu, kus täpsustatakse töökorraldus ja oodatavad tulemused
 
Töö esimene versioon peab olema esitatud hiljemalt 1. maiks.
Esimene version peab sisaldama:
# sissejuhatust, mis räägib, miks projekti tulemus on vajalik ja mida teised selles valdkonnas maailmas teinud on;
# projekti teoreetilisi/matemaatilisi/mudeli aluseid lahti kirjutatuna;
# tehtud tegevuse detailset kirjeldust (detaile pole kunagi liiga palju, delete on lihtsaim funktsioon, mida juhendaja teie kirjaliku töö ümber kirjutamisel :) teha saab);
# töö tulemusi, st kas mõõtmistulemusi või seadme töötava! prototüübi tehniline kirjeldust ja seadet ennast;
# hinnangut oma tööle, st töö tulemuste edasise arengu analüüsi, tulemuste analüüsi ja hinnangut töö tulemuse kvaliteedile.
 
'''Töö kaitsmisele lubamiseks on kohustuslik läbida laborisisene eelkaitsmine, vajadusel korduv'''. Eelkaitsmiste ajagraafik kuulutatakse välja igal aastal aprillis. Arvestada tuleb ajaliste piirangutega- Eelkaitsmisele õigeaegne registreerumine on tudengi kohustus.




<!-- This is a comment --->
<!-- This is a comment --->
== '''Eksperimentaalne materjaliteadus''' ==
= ''' Koostööprojektid ettevõtetega (BSC/MSC theses in collaboration with companies)'''=
=== Süsinikelektroodidega polümeersed täiturid===
== ABB Eesti / ABB Estonia ==
Lõputööde teemad mis on seotud koostööga ABB AS Eestiga. Töö läbi viimisel on kaasatud kaasjuhendaja ABB poolelt koos praktiseerimisvõimalusega ABB-s.
 
Following topics are conducted in collaboration with ABB Estonian branch. All the topics include co-supervision from ABB.
 
* [[Utilization of Virtual Reality in Product Development of a VSD cabinet]]
* [[Electric and magnetic field analyses in ALT tester]]
* [[Creation of accurate contact modelling technique for linear FEM-analysis]]
 
==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
 
= '''Liitium- ja naatriumakud (Li-Ion and Na-Ion batteries)''' =


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.
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.


* [[3D-mikroakud]]
* [[Akude valmistamine printimistehnoloogia abil]]


===Kunstlihased kosmoserakendustes===
='''Materials science in CERN'''=


Meie poolt valmistatavad materjalid on kerged ning juhitavad madalate elektripingetega. Seetõttu pakuvad nad huvi kosmosetehnoloogia seadmete valmistajatele.
CERN is one of the leading research centres in the Europe, responsible for several key science and technology breakthroughs such as confirmation of Higgs boson and internet. It boosts constant research and development in many different fields next to fundamental particle or nuclear physics, such as materials science. One of the resent developments is new CLIC accelerator, intended for both, precise measurements of Higgs boson and probing new, beyond standard model physics. However, development of CLIC has significant materials science related issues: it utilizes huge electric fields to accelerate particles and suffers significant electric field related material surface damage([[Electrical breakdowns in CLIC accelerator]] ).
Töö eesmärgiks on uurida kiirguse, temperatuuri jpt kosmoses materjalidele mõjuvate kahjustavate toimete mõju.


===Juhtivpolümeeridel põhinevate mitmekihiliste kunstlihaste valmistamine ja iseloomustamine===
The work conducted during this project is part of larger international collaboration including CERN, Finland, Sweden, Israel and more. Participation will include a lot of challenging work, but offers possibilities to take part from CERN summer student projects, have visits to collaborating groups and publish cutting edge research results early on. For example, so far, all related masters theses have yielded at least one research paper! These topics have not only opened up opportunities for follow up PhD studies in Tartu University but also in Helsinki University and EMPA (part of ETH domain in Switzerland).


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 ===
'''Only some examples of current extremely interesting topics are presented below.''' While some topics are more physics focused, others are more suitable for Computer Engineering curricula students!
(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===
(We are always open to your own ideas and suggestions considering possible thesis topic!!!!)
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 polysaccharides===
* DFT simulations of Cu under external electric field
Polymer Chemistry and biotechnology, PhD, Master Student or 2 bachelor students
* Electric field influence to the interatomic potentials in Molecular Dynamics studies
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.
* Nanoscale metal surface under RF electriomagnetic field
* Influence of nanoscale surface defects to the electron emission and electrical conductivity of the material
* Influence of the electric field to the generation of surface defects using in situ SEM and computer simulations
* [[Thermal runaway simulation with Femocs code and Poisson solver]]


===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''' ==
Software devfelopment related to [https://github.com/veskem/femocs Femocs] development ('''suitable also for computer engineering students'''):
* implement new physics into [https://github.com/veskem/femocs Femocs] code such as elastisity, stresses, fluid dynamics for simulating molten nanotips
* implement 2nd order tetrahedral FEM solver
* implement Voronoi FEM solver
* implement mesh builder that uses previous mesh as starting point
* implement more advanced (and parallel) mesh smoothing
* increase parallelization (look / implement parallel mesh generators,  parallelize coordination calculation that uses splitted nborlist, parallelize & optimize tet->hex conversion)


===Liitiumioon-polümeerakude ja kunstlihaste materjalide uurimine erinevate arvutisimulatsioonimeetodite abil===
Contact: Vahur Zadin (vahur.zadin@ut.ee)


* liitiumioon-polümeeraku on üks olulisimaid osi tuleviku energiamuundamise ja -salvestamise vallas alates käepärastest elektroonikasedametest ja elektriautodest kuni kodumajapidamiseni välja
= '''Eksperimentaalne materjaliteadus''' =
* 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===
==Bioühilduvad elektroaktiivsed polümeerid==


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.  
(23.08.2018)
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===
Bioinspireeritud robootika on tänapäeva inseneritehnoloogia ja teaduse peamisi arengusuundi. Traditsioonilised aktuaatorid ei ole pehmetes ja painduvates seadmetes rakendatavad, seega on juba aastakümneid uuritud elektroaktiivseid polümeerseid täitureid (''electroactive polymer'' - EAP). EAP-de silmapaistvaks omaduseks on nende multifunktsionaalsus: materjali saab rakendada nii aktuaatori (omadused muutuvad elektrivälja toimel) kui ka sensorina (muutus keskkonna tingimustes põhjustab detekteeritavat elektrivoolu). Elektroaktiivsete polümeeride ühe rakendusena on välja pakutud mitmesugused meditsiiniseadmed (implanteeritavad sensorid, drug delivery seadmed, ...). Nõudmised materjalile on kõrged: ideaalne aktuaator omab laia liigutusulatust juba madalal pingel, on kiire, kerge, vastupidav ning lihtsalt ja odavalt toodetav. Lisaks peab materjal olema bioühilduv.


[[Image:Reklaamposter.png|right|thumb|400px]]
Antud projekti eesmärk on välja töötada bioühilduv ioonne elektromehaaniline polümeerne täitur (''ionic electroactive polymer'' - IEAP). Uuritav materjal koosneb juhtivpolümeersete või süsinikelektroodide vahele paigutatud biopolümeersest membraanist, elektrolüüdina kasutatakse madala toksilisusega looduslikku päritolu ioonseid vedelikke. Bakalaureuse ja magistritöö teemasid on välja pakkuda projekti erinevates etappides:
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!)'''
* Ioonsete vedelike süntees ja karakteriseerimine
* Ioonsete vedelike segude uurimine nii eksperimentaalselt kui arvutuskeemia meetodeid kasutades
* Süsinikelektroodidega IEAP valmistamine pihustusmeetodil kasutades lähteainetena mitmesuguseid biopolümeere ja madala toksilisusega ioonseid vedelikke
* Erinevate ioonsete vedelike testimine juhtivpolümeersete (polüpürrool) elektroodidega IEAPs: optimaalse polüpürrooli struktuuri ja sünteesiparameetrite otsimine erinevate ioonsete vedelike jaoks
* Biopolümeersete membraanide valmistamine elektrospinnimise teel ja saadud materjalide testimine juhtivpolümeersete IEAP-de valmistamiseks
* ''deep eutectic solvents'' kui alternatiiv ioonsetele vedelikele: kas on rakendatav IEAP-des?


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.
== Süsinikelektroodidega polümeersed täiturid==


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!'''
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
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. 
* süsinik-kserogeeli valmistamine ja struktuur-omadus seoste uurimine
* täituri valmistamine vurrkatmise meetodil (spin-coating)


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


== '''Aktuaatorid, seadmed ja nende juhtimine''' ==
Meie poolt valmistatavad materjalid on kerged ning juhitavad madalate elektripingetega. Seetõttu pakuvad nad huvi kosmosetehnoloogia seadmete valmistajatele.
===IPMC elektromehhaanilisi omadusi uuriva seadme juhtimine===
Töö eesmärgiks on uurida kiirguse, temperatuuri jpt kosmoses materjalidele mõjuvate kahjustavate toimete mõju.


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.
==Juhtivpolümeeridel põhinevate mitmekihiliste kunstlihaste valmistamine ja iseloomustamine==


===IPMC täitureid kasutava autonoomse seadme konstrueerimine===
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.


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


===Süsinik-polümeermaterjalidest täiturite juhtimine===
Projekti sisuks on välja töötada materjal ja metoodika kuidas valmistada süsinikelektroodidega täitureid tööstuslikke protsesse kasutades. Töö laiem eesmärk on selliste materjalide masstootmine.


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.
==Biokütuseelement==


===IPMC/süsinik polümeermaterjalidest energiakogujate uurimine===
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.


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===
==Pehmed kantavad sensorid==
==== Ilmekas uksekoputi ====


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


====Fokuseeritava läätsesüsteemi konstrueerimine ja prototüüpimine====
= '''Arvutieksperimendid ja materjalide simuleerimine''' =


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.
==Kunstlihaste materjalide uurimine erinevate arvutisimulatsioonimeetodite abil==


== '''Robootika''' ==
* 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.


= '''Aktuaatorid, seadmed ja nende juhtimine''' =


===Aldebaran Nao rakendamine===
==IPMC täitureid kasutava autonoomse seadme konstrueerimine==


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


===Õpperobotid===
==Süsinik-polümeermaterjalidest täiturite juhtimine==


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.
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.


== '''Partneritega seotud teemad''' ==
= '''Robotics''' =
<big>Click [[student projects in robotics|here]] for [[student projects in robotics]]</big>


===Süsinikelektroodidega täiturmaterjali tööstusliku tootmise ettevalmistamine===
= '''Soft Robotics''' =
[[soft robotics student projects|Currently active and relevant topics for soft robotics]]


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


===Mehhanoelektriliste andurite uurimine===
==Kõrgkoolide õppekavade masinõppel põhinev analüüs==


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.
Projekti eesmärgiks on arendada masinõppel põhinev tarkvara, mis suudaks automaatselt analüüsida ja kaardistada Tartu Ülikooli õppekavade ning nendes loetavate ainete sisu viisil, et oleks jooksvalt võimalik hinnata õppekvaliteeti ja selle vastavust tööturu reaalsetele vajadustele. '''Eriti sobilik tudengitele,''' kellel on lisaks erialasele huvile soov kokkupuutuda '''startup''' ja tehnoloogia ettevõttlusega.  


===Robotmannekeen rõivatööstusele===


Projekti eesmärgiks on arendada välja inimkeha kujuline mannekeeni alakeha rõivatööstusele kiirendamaks ning parendamaks disainerrõivaste väljatöötamist.
'''Bakalaureuse- või magistritöö käigus loodav praktiline tarkvaralahendus:'''
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.
* analüüsib õppekavade terviklikkust, erinevate moodulite ja õppeainete vaheliste seoste sidusust, vastavust õppekava ja mooduli üldeesmärkidele,
Sobib mitmeteks bakalaureuse ja magistritöödeks, sõltuvalt tasemest on ka töö maht erinev.
* analüüsib jooksvalt õppekavade vastavust tööturu vajadustele lähtuvalt töötajatele reaalselt esitatavatest kvalifikatsiooni nõuetest,
* annab õppejõududele ja programmijuhtidele infot võimalikest kattuvustest, puuduvatest eelteadmistest õppeainetele ja arenguvajadustest,
* võimaldab arendada ühismooduleid ja õppeaineid erinevate õppekavade vahel eeldusteadmiste lünkadeta ja kattuvusteta,
* võimaldab hinnata ja võrrelda juba olemasolevate ja veel loodavate õppekavade konkurentsivõimet teiste koolide sarnaste õppekavadega.


Projektil on ka konkreetne rakendus vt [http://www.fits.me www.fits.me]


===Puutetundlik sensor robotmannekeenile ===
'''Antud lõputöö kontekstis olulised märksõnad on:'''
* suurandmed ja andmekaeve (big data & data mining)
* masinõppe algoritmid (machine learning)
* andmete visualiseerimine (data visualization)


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''' ==
Lõputööd juhendab Aleksander Tõnnisson, kes on teinud üle 40-ne investeeringu iduettevõtetesse.
===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.
= '''Õppetööga seotud''' =
== Juhendmaterjali koostamine koolirobootika tarbeks==
Töö eesmärgiks on koostada õpetajatele juhendmaterjale ja põnevaid tööülesandeid robootikast, 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.


Töö esimene versioon peab olema esitatud hiljemalt 1. maiks. Hilinemiseks sobivad ainult dokumentaalselt tõestatavad meditsiinilised põhjused. Esimene version peab sisaldama:
# sissejuhatust, mis räägib, miks projekti tulemus on vajalik ja mida teised selles valdkonnas maailmas teinud on;
# projekti teoreetilisi/matemaatilisi/mudeli aluseid lahti kirjutatuna;
# tehtud tegevuse detailset kirjeldust (detaile pole kunagi liiga palju, delete on lihtsaim funktsioon, mida juhendaja teie kirjaliku töö ümber kirjutamisel :) teha saab);
# töö tulemusi, st kas mõõtmistulemusi või seadme töötava! prototüübi tehniline kirjeldust ja seadet ennast;
# hinnangut oma tööle, st töö tulemuste edasise arengu analüüsi, tulemuste analüüsi ja hinnangut töö tulemuse kvaliteedile.




Latest revision as of 08:56, 25 September 2018

IMS poster.png

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.

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.

Tudeng sõlmib juhendajatega individuaalse juhendamise lepingu, kus täpsustatakse töökorraldus ja oodatavad tulemused

Töö esimene versioon peab olema esitatud hiljemalt 1. maiks. 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.

Töö kaitsmisele lubamiseks on kohustuslik läbida laborisisene eelkaitsmine, vajadusel korduv. Eelkaitsmiste ajagraafik kuulutatakse välja igal aastal aprillis. Arvestada tuleb ajaliste piirangutega- Eelkaitsmisele õigeaegne registreerumine on tudengi kohustus.


Koostööprojektid ettevõtetega (BSC/MSC theses in collaboration with companies)

ABB Eesti / ABB Estonia

Lõputööde teemad mis on seotud koostööga ABB AS Eestiga. Töö läbi viimisel on kaasatud kaasjuhendaja ABB poolelt koos praktiseerimisvõimalusega ABB-s.

Following topics are conducted in collaboration with ABB Estonian branch. All the topics include co-supervision from ABB.

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

Liitium- ja naatriumakud (Li-Ion and Na-Ion batteries)

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.

Materials science in CERN

CERN is one of the leading research centres in the Europe, responsible for several key science and technology breakthroughs such as confirmation of Higgs boson and internet. It boosts constant research and development in many different fields next to fundamental particle or nuclear physics, such as materials science. One of the resent developments is new CLIC accelerator, intended for both, precise measurements of Higgs boson and probing new, beyond standard model physics. However, development of CLIC has significant materials science related issues: it utilizes huge electric fields to accelerate particles and suffers significant electric field related material surface damage(Electrical breakdowns in CLIC accelerator ).

The work conducted during this project is part of larger international collaboration including CERN, Finland, Sweden, Israel and more. Participation will include a lot of challenging work, but offers possibilities to take part from CERN summer student projects, have visits to collaborating groups and publish cutting edge research results early on. For example, so far, all related masters theses have yielded at least one research paper! These topics have not only opened up opportunities for follow up PhD studies in Tartu University but also in Helsinki University and EMPA (part of ETH domain in Switzerland).


Only some examples of current extremely interesting topics are presented below. While some topics are more physics focused, others are more suitable for Computer Engineering curricula students!

(We are always open to your own ideas and suggestions considering possible thesis topic!!!!)

  • DFT simulations of Cu under external electric field
  • Electric field influence to the interatomic potentials in Molecular Dynamics studies
  • Nanoscale metal surface under RF electriomagnetic field
  • Influence of nanoscale surface defects to the electron emission and electrical conductivity of the material
  • Influence of the electric field to the generation of surface defects using in situ SEM and computer simulations
  • Thermal runaway simulation with Femocs code and Poisson solver


Software devfelopment related to Femocs development (suitable also for computer engineering students):

  • implement new physics into Femocs code such as elastisity, stresses, fluid dynamics for simulating molten nanotips
  • implement 2nd order tetrahedral FEM solver
  • implement Voronoi FEM solver
  • implement mesh builder that uses previous mesh as starting point
  • implement more advanced (and parallel) mesh smoothing
  • increase parallelization (look / implement parallel mesh generators, parallelize coordination calculation that uses splitted nborlist, parallelize & optimize tet->hex conversion)

Contact: Vahur Zadin (vahur.zadin@ut.ee)

Eksperimentaalne materjaliteadus

Bioühilduvad elektroaktiivsed polümeerid

(23.08.2018)

Bioinspireeritud robootika on tänapäeva inseneritehnoloogia ja teaduse peamisi arengusuundi. Traditsioonilised aktuaatorid ei ole pehmetes ja painduvates seadmetes rakendatavad, seega on juba aastakümneid uuritud elektroaktiivseid polümeerseid täitureid (electroactive polymer - EAP). EAP-de silmapaistvaks omaduseks on nende multifunktsionaalsus: materjali saab rakendada nii aktuaatori (omadused muutuvad elektrivälja toimel) kui ka sensorina (muutus keskkonna tingimustes põhjustab detekteeritavat elektrivoolu). Elektroaktiivsete polümeeride ühe rakendusena on välja pakutud mitmesugused meditsiiniseadmed (implanteeritavad sensorid, drug delivery seadmed, ...). Nõudmised materjalile on kõrged: ideaalne aktuaator omab laia liigutusulatust juba madalal pingel, on kiire, kerge, vastupidav ning lihtsalt ja odavalt toodetav. Lisaks peab materjal olema bioühilduv.

Antud projekti eesmärk on välja töötada bioühilduv ioonne elektromehaaniline polümeerne täitur (ionic electroactive polymer - IEAP). Uuritav materjal koosneb juhtivpolümeersete või süsinikelektroodide 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
  • Süsinikelektroodidega IEAP valmistamine pihustusmeetodil kasutades lähteainetena mitmesuguseid biopolümeere ja madala toksilisusega ioonseid vedelikke
  • Erinevate ioonsete vedelike testimine juhtivpolümeersete (polüpürrool) elektroodidega IEAPs: optimaalse polüpürrooli struktuuri ja sünteesiparameetrite otsimine erinevate ioonsete vedelike jaoks
  • Biopolümeersete membraanide valmistamine elektrospinnimise teel ja saadud materjalide testimine juhtivpolümeersete IEAP-de valmistamiseks
  • deep eutectic solvents kui alternatiiv ioonsetele vedelikele: kas on rakendatav IEAP-des?

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.

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.

Arvutieksperimendid ja materjalide simuleerimine

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.

Aktuaatorid, seadmed ja nende juhtimine

IPMC täitureid kasutava autonoomse seadme konstrueerimine

Eesmärgiks on nn kunstlihaseid 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.

Robotics

Click here for student projects in robotics

Soft Robotics

Currently active and relevant topics for soft robotics

Partneritega seotud teemad

Kõrgkoolide õppekavade masinõppel põhinev analüüs

Projekti eesmärgiks on arendada masinõppel põhinev tarkvara, mis suudaks automaatselt analüüsida ja kaardistada Tartu Ülikooli õppekavade ning nendes loetavate ainete sisu viisil, et oleks jooksvalt võimalik hinnata õppekvaliteeti ja selle vastavust tööturu reaalsetele vajadustele. Eriti sobilik tudengitele, kellel on lisaks erialasele huvile soov kokkupuutuda startup ja tehnoloogia ettevõttlusega.


Bakalaureuse- või magistritöö käigus loodav praktiline tarkvaralahendus:

  • analüüsib õppekavade terviklikkust, erinevate moodulite ja õppeainete vaheliste seoste sidusust, vastavust õppekava ja mooduli üldeesmärkidele,
  • analüüsib jooksvalt õppekavade vastavust tööturu vajadustele lähtuvalt töötajatele reaalselt esitatavatest kvalifikatsiooni nõuetest,
  • annab õppejõududele ja programmijuhtidele infot võimalikest kattuvustest, puuduvatest eelteadmistest õppeainetele ja arenguvajadustest,
  • võimaldab arendada ühismooduleid ja õppeaineid erinevate õppekavade vahel eeldusteadmiste lünkadeta ja kattuvusteta,
  • võimaldab hinnata ja võrrelda juba olemasolevate ja veel loodavate õppekavade konkurentsivõimet teiste koolide sarnaste õppekavadega.


Antud lõputöö kontekstis olulised märksõnad on:

  • suurandmed ja andmekaeve (big data & data mining)
  • masinõppe algoritmid (machine learning)
  • andmete visualiseerimine (data visualization)


Lõputööd juhendab Aleksander Tõnnisson, kes on teinud üle 40-ne investeeringu iduettevõtetesse.

Õppetööga seotud

Juhendmaterjali koostamine koolirobootika tarbeks

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



Retrieved from "https://ims.ut.ee/index.php?title=Student_projects&oldid=18727"