Student projects

From Intelligent Materials and Systems Lab

Jump to: navigation, search
IMS poster.png

Siin on mĂ”ned tegemised, mide meie uurimisgrupi juures on vĂ”imalik teha. Tegemist pole lĂ”pliku nimekirjaga ning head tegijad on alati oodatud huvitavate ideedega. KĂ”ikidest teemadest on vĂ”imalik edasi minna kuni PhD kaitsmiseni. Huvi korral vĂ”ta ĂŒhendust. MĂ”nede teemade kirjeldused on inglise keeles.

Üldine info bakalaureuse- ja magistritöö tegijatele

Teil on kaks juhendajat. Eeldame, et te vĂ€hemalt kord nĂ€dalas vĂ”tate vĂ€hemalt ĂŒhe juhendajaga kontakti ja arutate lĂ€bi oma mured ja tegemised. Lisaks ootame tudengitelt aktiivset osavĂ”ttu kord nĂ€dalas toimuvast labori seminarist ja journal club'ist, kus harjutatakse avalikku esinemist, et kaitsmisel oleks lihtsam.

Tudeng sÔlmib juhendajatega individuaalse juhendamise lepingu, kus tÀpsustatakse töökorraldus ja oodatavad tulemused

Töö esimene versioon peab olema esitatud hiljemalt 1. maiks. Esimene version peab sisaldama:

  1. sissejuhatust, mis rÀÀgib, 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 ĂŒmber kirjutamisel :) teha saab);
  4. töö tulemusi, st kas mÔÔtmistulemusi vĂ”i seadme töötava! prototĂŒĂŒbi tehniline kirjeldust ja seadet ennast;
  5. hinnangut oma tööle, st töö tulemuste edasise arengu analĂŒĂŒsi, tulemuste analĂŒĂŒsi ja hinnangut töö tulemuse kvaliteedile.

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


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

ABB Eesti / ABB Estonia

LÔputööde teemad mis on seotud koostööga ABB AS Eestiga. Töö lÀbi viimisel on kaasatud kaasjuhendaja ABB poolelt koos praktiseerimisvÔimalusega 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 vÔi arendatakse neile uusi tooteid. MÔned nÀited:

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

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

Kaasaskantav mikroakutoide on oluliseks faktoriks paljudes arenevates tehnoloogiasuundades, kuna mikroelektroonika mÔÔtmete vĂ€henemine on jĂ€tnud kaugele seljataha vĂ€ikesemÔÔduliste vooluallikate arengu. Sobivate kaasaskantavate vooluallikate vĂ€hene energiamahtuvus on saamas takistuseks mitmete tehnoloogiasuundade nagu kaasaskantavate arvutusseadmete (Weareable Computing Technology e. WCT), mikroelektromehaaniliste seadmete (MEMS), biomeditsiiniliste mikromasinate arengus. Üheks vĂ”tmeprobleemiks selliste seadmete edukaks toimimiseks on nende varustamine vooluallikatega, mis ĂŒhelt kĂŒljelt tagavad seadme piisava energiahulgaga varustamise ning teiselt kĂŒljelt, on vĂ”imalikult vĂ€ikesemÔÔduised ning kergekaalulised. Sellise konfiguratsiooni juures tulevad ilmsiks olemasolevate, olemuselt kahemÔÔtmeliste (2D) liitium-ioonakude puudused – nii vĂ€ikeste ruum- ja pindalade puhul ei ole vĂ”imalik saavutada piisavaid energiatihedusi. Seda probleemi vĂ”imaldab lahendada 3D mikroakude (MB) kasutusele vĂ”tmine. Liitiumioonakude arhitektuuri optimeerimise eesmĂ€rgiks on valmistada töötav 3D-MB, mille energiatihedus ning mahtuvus on vĂ€hemalt suurusjĂ€rgu vĂ”rra suuremad praegu kasutusel olevate akude omadest. Toimiva 3D-MB vĂ€lja töötamiseks arendatakse ja uuritakse erinevaid mikroaku arhitektuure, neist sobiva vĂ€ljavalimist ning optimeerimist lihtsustavad oluliselt teoreetilised, arvutisimulatsioonidega lĂ€bi viidavad uuringud, mis vĂ”imaldavad testida erinevaid 3D-MB arhitektuure, lahendada optimeerimisĂŒlesandeid elektroodide optimaalse geomeetria leidmiseks; optimeerida elektroodi pinda; uurida terve aku kĂ€itumist laadimisel-tĂŒhjakslaadimisel; optimeerida sobivaid mikroaku arhitektuure. Meetodid makrotasandis, mida selliste uuringute lĂ€biviimiseks kasutatakse on lĂ”plike elementide meetod (LEM) ning mikrotasandil molekulaardĂŒnaamilise simulatsiooni meetod (MD). Simulatsioonide lĂ€biviimiseks 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

BioĂŒhilduvad elektroaktiivsed polĂŒmeerid

(23.08.2018)

Bioinspireeritud robootika on tĂ€napĂ€eva inseneritehnoloogia ja teaduse peamisi arengusuundi. Traditsioonilised aktuaatorid ei ole pehmetes ja painduvates seadmetes rakendatavad, seega on juba aastakĂŒmneid uuritud elektroaktiivseid polĂŒmeerseid tĂ€itureid (electroactive polymer - EAP). EAP-de silmapaistvaks omaduseks on nende multifunktsionaalsus: materjali saab rakendada nii aktuaatori (omadused muutuvad elektrivĂ€lja toimel) kui ka sensorina (muutus keskkonna tingimustes pĂ”hjustab detekteeritavat elektrivoolu). Elektroaktiivsete polĂŒmeeride ĂŒhe rakendusena on vĂ€lja pakutud mitmesugused meditsiiniseadmed (implanteeritavad sensorid, drug delivery seadmed, ...). NĂ”udmised materjalile on kĂ”rged: ideaalne aktuaator omab laia liigutusulatust juba madalal pingel, on kiire, kerge, vastupidav ning lihtsalt ja odavalt toodetav. Lisaks peab materjal olema bioĂŒhilduv.

Antud projekti eesmĂ€rk on vĂ€lja töötada bioĂŒhilduv ioonne elektromehaaniline polĂŒmeerne tĂ€itur (ionic electroactive polymer - IEAP). Uuritav materjal koosneb juhtivpolĂŒmeersete vĂ”i sĂŒsinikelektroodide vahele paigutatud biopolĂŒmeersest membraanist, elektrolĂŒĂŒdina kasutatakse madala toksilisusega looduslikku pĂ€ritolu ioonseid vedelikke. Bakalaureuse ja magistritöö teemasid on vĂ€lja pakkuda projekti erinevates etappides:

  • Ioonsete vedelike sĂŒntees ja karakteriseerimine
  • Ioonsete vedelike segude uurimine nii eksperimentaalselt kui arvutuskeemia meetodeid kasutades
  • SĂŒsinikelektroodidega IEAP valmistamine pihustusmeetodil kasutades lĂ€hteainetena mitmesuguseid biopolĂŒmeere ja madala toksilisusega ioonseid vedelikke
  • Erinevate ioonsete vedelike testimine juhtivpolĂŒmeersete (polĂŒpĂŒrrool) elektroodidega IEAPs: optimaalse polĂŒpĂŒrrooli struktuuri ja sĂŒnteesiparameetrite otsimine erinevate ioonsete vedelike jaoks
  • BiopolĂŒmeersete membraanide valmistamine elektrospinnimise teel ja saadud materjalide testimine juhtivpolĂŒmeersete IEAP-de valmistamiseks
  • deep eutectic solvents kui alternatiiv ioonsetele vedelikele: kas on rakendatav IEAP-des?

SĂŒsinikelektroodidega polĂŒmeersed tĂ€iturid

Kunstlihaseid ehk elektroaktiivseid polĂŒmeerseid tĂ€itureid on vĂ€ga palju erinevaid. Nanopoorsest sĂŒsinikust elektroodidega ioonsed tĂ€iturid töötavad madalpingel ning neil on mitmed eelised kasutamiseks mikroseadmetes ja meditsiinis. Hetkel on uurimisel kaks suunda. Esimese eesmĂ€rk on arendada kunstlihasetes kasutatavaid ioonvedelik-sĂŒsinik-polĂŒmeer komposiite, kasutades selleks erinevaid sĂŒsinikmaterjale (sĂŒsinikaerogeeli, karbiidset sĂŒsinikku, sĂŒsiniknanotorusid jpt), ioonseid vedelikke, polĂŒmeere. Teine suund keskendub uute kunstlihase valmistamise tehnoloogiate rakendamisele. Uurime materjalide omadusi ja toimimismehhanisme, et kasutada neid aktuaatorite ning sensoritena. Bakalaureuse- ja magistritööks on teemasid mĂ”lemast suunast:

  • uut tĂŒĂŒpi nanomaterjali kasutamine tĂ€ituri elektroodina
  • sĂŒsinik-kserogeeli valmistamine ja struktuur-omadus seoste uurimine
  • tĂ€ituri valmistamine vurrkatmise meetodil (spin-coating)

Kunstlihased kosmoserakendustes

Meie poolt valmistatavad materjalid on kerged ning juhitavad madalate elektripingetega. SeetÔttu pakuvad nad huvi kosmosetehnoloogia seadmete valmistajatele. Töö eesmÀrgiks on uurida kiirguse, temperatuuri jpt kosmoses materjalidele mÔjuvate kahjustavate toimete mÔju.

JuhtivpolĂŒmeeridel pĂ”hinevate mitmekihiliste kunstlihaste valmistamine ja iseloomustamine

Kunstlihased, sensorid ja energiahĂ”iveseadmed on elektritjuhtivate orgaaniliste polĂŒmeeride uudsemateks ja pĂ”nevamateks arengusuundadeks. Neid loodetakse kasutada meditsiinis, robootikas, kosmose- ja militaartööstuses. Enne laiaulatuslikku kasutuselevĂ”ttu on siiski vaja veel teha hulk arendustööd. Mitmekihilise disain loob eeldused juhtivpolĂŒmeerse materjali paremaks kontrollimiseks ning tema omaduste parandamiseks. TÜ IMS laboris on vĂ€lja töötatud uudsed sĂŒnteesimeetodid metallivabade kunstlihaste valmistamiseks. Senistel lihtsa ĂŒhekihilise struktuuriga materjalidel on mitmeid puudusi (juhtuvuse langus, tundlikus vĂ€liskeskkonna mĂ”judele). Aktuatsiooni tekitavale polĂŒmeerikihile vastupidise ioonliikuvusega kihtide lisamine loob eelduse neid puudusi vĂ€ltida.

SĂŒsinikelektroodidega tĂ€iturmaterjali tööstusliku tootmise ettevalmistamine

Projekti sisuks on vĂ€lja töötada materjal ja metoodika kuidas valmistada sĂŒsinikelektroodidega tĂ€itureid tööstuslikke protsesse kasutades. Töö laiem eesmĂ€rk on selliste materjalide masstootmine.

BiokĂŒtuseelement

BiokĂŒtuseelement on bioreaktor, mis muundab orgaaniliste ĂŒhendite keemiliste sidemete energia elektrienergiaks. NĂ€iteks glĂŒkoosil ja hapnikul töötavad biokĂŒtuseelemendid, mis on vĂ”imelised energiat korjama erinevates bioloogilistest vedelikest, on paljulubavad seadmed rakendamiseks energiaallikatena mitmesugustes bioelektrilistes implantaatides nagu insuliinipumbad, ravimidosaatorid, nĂ€rvistimulaatorid, sĂŒdamestimulaatorid. Antud projekt tegeleb uudse elektroodimaterjali vĂ€ljatöötamisega biokĂŒtuseelemendi jaoks.


Pehmed kantavad sensorid

KÔikvÔimaliku kantava elektroonika populaarsuse kasv on suurendanud huvi pehmete sensorite vastu, mis mÔÔdaksid objektide (nÀiteks inimese keha) kuju ja asendit ilma liikumist takistamata. Senise uurimistöö kÀigus on vÀlja töötatud sensortald, mis vÔimaldab sportlasel jÀlgida jala aluse rÔhu jaotust aga ka igal sammul rakendatavat vÔimsust. Mitmekihiliste elastsete sensorite vÔrgustik suudab jÀlgida kehakuju muutust vÔi liikumist, mÔÔtes korraga nii pikenemist kui painet. Uurimistöö jÀtkub erinevate uudsete jala- ja keha sensorite vÀljatöötamiseks.

Arvutieksperimendid ja materjalide simuleerimine

Kunstlihaste materjalide uurimine erinevate arvutisimulatsioonimeetodite abil

  • Tegemist on materjaliga, mida vĂ€lise elektrivĂ€ljaga on vĂ”imalik panna kuju muutma: painduma, punduma, kokku tĂ”mbuma - nagu teeb reaalne lihas
  • kunstlihase materjal vĂ”ib ka reageerida vĂ€lisele mehaanilisele kujumuutusele elektrilise signaaliga
  • kunstlihas tegutseb hÀÀletult, olles ise mÔÔtmetelt vĂ€ga vĂ€ike
  • kunstlihase materjalidena uuritakse selliseid "hitte" nagu grafeen ja ioonvedelik
  • arvutisimulatsioonid viivad sind materjali "sisse", vĂ”imaldades nĂ€ha seda, mis katses jÀÀb varju, anda infot toimuvate protsesside kohta ja nĂ€punĂ€iteid materjalide parendamiseks
  • tahad teda, kuidas liigutab 2 cm pikkune riba kunstlihast? vĂ”ta lĂ”plike lementide meetod ja sa nĂ€ed Ă€ra pinged ja deformatsioonid kujumuutmisel
  • tahad teada, kuidas elektroodide kuju muutmine mĂ”jutab liitiumioonaku mahtuvust - seda, kui kaua sinu elektriauto mööda Tartu-Tallinna maanteed suudaks kihutada? vĂ”ta lĂ”plike elementide meetod ja sa saad vĂ€lja arvutada aku tĂŒhjenemise kiiruse sinu elektriauto toitmisel
  • tahad teada, kuidas liiguvad ja mĂ”jutavad ĂŒksteist aatomid ja molekulid kunstlihases ja liitiumioonaku elektroodides ning elektrolĂŒĂŒdis? vĂ”ta molekulaardĂŒnaamiline simulatsioon ja sa saad siseneda maailma, mis on 10000 korda vĂ€iksem sinu juuksekarva lĂ€bimÔÔdust
  • tahad virtuaalselt istuda iga aatomi peal ja nĂ€ha, kuidas ĂŒhe aatomi elektronpilv lööb teise oma segamini? vĂ”ta kvantkeemiline molekulaardĂŒnaamika ja sinu sĂ”it lainefunktsioonide harjadel on pöörasem kui Ristna neemel Katja ajal.

Aktuaatorid, seadmed ja nende juhtimine

IPMC tÀitureid kasutava autonoomse seadme konstrueerimine

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

SĂŒsinik-polĂŒmeermaterjalidest tĂ€iturite juhtimine

Töö eesmĂ€rgiks on parametriseerida ning uurida materjaliteadlaste poolt laboris loodud uudsete materjalide elektromehaanilisi omadusi. St. vajalike elektromehaaniliste ja fĂŒĂŒsikaliskeemiliste mudelite loomine, nende mudelite kirjeldamine ning eksperimentaalsete tulemuste vastu kinnitamine. Töö sobib (erinevates mahtudes) bakalaureus, magistri ja doktoritöödeks. Vajalik on vÔÔrkeele oskus ning soov ja vĂ”imalus töötada aegajalt erinevates laborites vĂ€lismaa ĂŒlikoolides.

Robotics

Click here for student projects in robotics

Soft Robotics

Currently active and relevant topics for soft robotics

Partneritega seotud teemad

KĂ”rgkoolide Ă”ppekavade masinĂ”ppel pĂ”hinev analĂŒĂŒs

Projekti eesmĂ€rgiks on arendada masinĂ”ppel pĂ”hinev tarkvara, mis suudaks automaatselt analĂŒĂŒsida ja kaardistada Tartu Ülikooli Ă”ppekavade ning nendes loetavate ainete sisu viisil, et oleks jooksvalt vĂ”imalik hinnata Ă”ppekvaliteeti ja selle vastavust tööturu reaalsetele vajadustele. Eriti sobilik tudengitele, kellel on lisaks erialasele huvile soov kokkupuutuda startup ja tehnoloogia ettevĂ”ttlusega.


Bakalaureuse- vÔi magistritöö kÀigus loodav praktiline tarkvaralahendus:

  • analĂŒĂŒsib Ă”ppekavade terviklikkust, erinevate moodulite ja Ă”ppeainete vaheliste seoste sidusust, vastavust Ă”ppekava ja mooduli ĂŒldeesmĂ€rkidele,
  • analĂŒĂŒsib jooksvalt Ă”ppekavade vastavust tööturu vajadustele lĂ€htuvalt töötajatele reaalselt esitatavatest kvalifikatsiooni nĂ”uetest,
  • annab Ă”ppejĂ”ududele ja programmijuhtidele infot vĂ”imalikest kattuvustest, puuduvatest eelteadmistest Ă”ppeainetele ja arenguvajadustest,
  • vĂ”imaldab arendada ĂŒhismooduleid ja Ă”ppeaineid erinevate Ă”ppekavade vahel eeldusteadmiste lĂŒnkadeta ja kattuvusteta,
  • vĂ”imaldab hinnata ja vĂ”rrelda juba olemasolevate ja veel loodavate Ă”ppekavade konkurentsivĂ”imet teiste koolide sarnaste Ă”ppekavadega.


Antud lÔputöö kontekstis olulised mÀrksÔnad on:

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


LĂ”putööd juhendab Aleksander TĂ”nnisson, kes on teinud ĂŒle 40-ne investeeringu iduettevĂ”tetesse.

Õppetööga seotud

Juhendmaterjali koostamine koolirobootika tarbeks

Töö eesmĂ€rgiks on koostada Ă”petajatele juhendmaterjale ja pĂ”nevaid tĂ¶Ă¶ĂŒlesandeid robootikast, aga samuti ĂŒlesandeid, mis aitavad lastel Ă”ppida fĂŒĂŒsikat, matemaatikat, keemiat ja bioloogiat. -->