620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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'THIS ISN'T ME!': the role of age-related self- and user images for robot acceptance by elders
(2020)
Although companion-type robots are already commercially available, little interest has been taken in identifying reasons for inter-individual differences in their acceptance. Elders’ age-related perceptions of both their own self (self-image) and of the general older robot user (user image) could play a relevant role in this context. Since little is known to date about elders’ companion-type robot user image, it is one aim of this study to investigate its age-related facets, concentrating on possibly stigmatizing perceptions of elder robot users. The study also addresses the association between elders’ age-related self-image and robot acceptance: Is the association independent of the user image or not? To investigate these research questions, N = 28 adults aged 63 years and older were introduced to the companion-type robot Pleo. Afterwards, several markers of robot acceptance were assessed. Actual and ideal self- and subjective robot user image were assessed by a study-specific semantic differential on the stereotype dimensions of warmth and competence. Results show that participants tended to stigmatize elder robot users. The self-images were not directly related to robot acceptance, but affected it in the context of the user image. A higher fit between self- and user image was associated with higher perceived usefulness, social acceptance, and intention to use the robot. To conclude, elders’ subjective interpretations of new technologies play a relevant role for their acceptance. Together with elders’ individual self-images, they need to be considered in both robot development and implementation. Future research should consider that associations between user characteristics and robot acceptance by elders can be complex and easily overlooked.
Organ-on-a-chip technology has the potential to accelerate pharmaceutical drug development, improve the clinical translation of basic research, and provide personalized intervention strategies. In the last decade, big pharma has engaged in many academic research cooperations to develop organ-on-a-chip systems for future drug discoveries. Although most organ-on-a-chip systems present proof-of-concept studies, miniaturized organ systems still need to demonstrate translational relevance and predictive power in clinical and pharmaceutical settings. This review explores whether microfluidic technology succeeded in paving the way for developing physiologically relevant human in vitro models for pharmacology and toxicology in biomedical research within the last decade. Individual organ-on-a-chip systems are discussed, focusing on relevant applications and highlighting their ability to tackle current challenges in pharmacological research.
Background: In general, the prevalence of work-related musculoskeletal disorders (WMSD) in dentistry is high, and dental assistants (DA) are even more affected than dentists (D). Furthermore, differentiations between the fields of dental specialization (e.g., general dentistry, endodontology, oral and maxillofacial surgery, or orthodontics) are rare. Therefore, this study aims to investigate the ergonomic risk of the aforementioned four fields of dental specialization for D and DA on the one hand, and to compare the ergonomic risk of D and DA within each individual field of dental specialization. Methods: In total, 60 dentists (33 male/27 female) and 60 dental assistants (11 male/49 female) volunteered in this study. The sample was composed of 15 dentists and 15 dental assistants from each of the dental field, in order to represent the fields of dental specialization. In a laboratory setting, all tasks were recorded using an inertial motion capture system. The kinematic data were applied to an automated version of the Rapid Upper Limb Assessment (RULA). Results: The results revealed significantly reduced ergonomic risks in endodontology and orthodontics compared to oral and maxillofacial surgery and general dentistry in DAs, while orthodontics showed a significantly reduced ergonomic risk compared to general dentistry in Ds. Further differences between the fields of dental specialization were found in the right wrist, right lower arm, and left lower arm in DAs and in the neck, right wrist, right lower arm, and left wrist in Ds. The differences between Ds and DAs within a specialist discipline were rather small. Discussion: Independent of whether one works as a D or DA, the percentage of time spent working in higher risk scores is reduced in endodontologists, and especially in orthodontics, compared to general dentists or oral and maxillofacial surgeons. In order to counteract the development of WMSD, early intervention should be made. Consequently, ergonomic training or strength training is recommended.
This paper explores the many interesting implications for oscillator design, with optimized phase-noise performance, deriving from a newly proposed model based on the concept of oscillator conjugacy. For the case of 2-D (planar) oscillators, the model prominently predicts that only circuits producing a perfectly symmetric steady-state can have zero amplitude-to-phase (AM-PM) noise conversion, a so-called zero-state. Simulations on standard industry oscillator circuits verify all model predictions and, however, also show that these circuit classes cannot attain zero-states except in special limit-cases which are not practically relevant. Guided by the newly acquired design rules, we describe the synthesis of a novel 2-D reduced-order LC oscillator circuit which achieves several zero-states while operating at realistic output power levels. The potential future application of this developed theoretical framework for implementation of numerical algorithms aimed at optimizing oscillator phase-noise performance is briefly discussed.
Nano-granular metals are materials that fall into the general class of granular electronic systems in which the interplay of electronic correlations, disorder and finite size effects can be studied. The charge transport in nano-granular metals is dominated by thermally-assisted, sequential and correlated tunneling over a temperature-dependent number of metallic grains. Here we study the frequency-dependent conductivity (AC conductivity) of nano-granular Platinum with Pt nano-grains embedded into amorphous carbon (C). We focus on the transport regime on the insulating side of the insulator metal transition reflected by a set of samples covering a range of tunnel-coupling strengths. In this transport regime polarization contributions to the AC conductivity are small and correlation effects in the transport of free charges are expected to be particularly pronounced. We find a universal behavior in the frequency dependence that can be traced back to the temperature-dependent zero-frequency conductivity (DC conductivity) of Pt/C within a simple lumped-circuit analysis. Our results are in contradistinction to previous work on nano-granular Pd/ZrO2ZrO2 in the very weak coupling regime where polarization contributions to the AC conductivity dominated. We describe possible future applications of nano-granular metals in proximity impedance spectroscopy of dielectric materials.
AttendAffectNet-emotion prediction of movie viewers using multimodal fusion with self-attention
(2021)
In this paper, we tackle the problem of predicting the affective responses of movie viewers, based on the content of the movies. Current studies on this topic focus on video representation learning and fusion techniques to combine the extracted features for predicting affect. Yet, these typically, while ignoring the correlation between multiple modality inputs, ignore the correlation between temporal inputs (i.e., sequential features). To explore these correlations, a neural network architecture—namely AttendAffectNet (AAN)—uses the self-attention mechanism for predicting the emotions of movie viewers from different input modalities. Particularly, visual, audio, and text features are considered for predicting emotions (and expressed in terms of valence and arousal). We analyze three variants of our proposed AAN: Feature AAN, Temporal AAN, and Mixed AAN. The Feature AAN applies the self-attention mechanism in an innovative way on the features extracted from the different modalities (including video, audio, and movie subtitles) of a whole movie to, thereby, capture the relationships between them. The Temporal AAN takes the time domain of the movies and the sequential dependency of affective responses into account. In the Temporal AAN, self-attention is applied on the concatenated (multimodal) feature vectors representing different subsequent movie segments. In the Mixed AAN, we combine the strong points of the Feature AAN and the Temporal AAN, by applying self-attention first on vectors of features obtained from different modalities in each movie segment and then on the feature representations of all subsequent (temporal) movie segments. We extensively trained and validated our proposed AAN on both the MediaEval 2016 dataset for the Emotional Impact of Movies Task and the extended COGNIMUSE dataset. Our experiments demonstrate that audio features play a more influential role than those extracted from video and movie subtitles when predicting the emotions of movie viewers on these datasets. The models that use all visual, audio, and text features simultaneously as their inputs performed better than those using features extracted from each modality separately. In addition, the Feature AAN outperformed other AAN variants on the above-mentioned datasets, highlighting the importance of taking different features as context to one another when fusing them. The Feature AAN also performed better than the baseline models when predicting the valence dimension.
Zur Erkundung der Depotfunktion von quellfähigen Tonmineralen für organische Umweltchemikalien und der möglichen Verdrängung dieser Chemikalien durch biogene Tenside wurden kinetische Untersuchungen mit Hilfe von Batch-Experimenten durchgeführt. Dabei wurde zunächst das Adsorptions- und Desorptionsverhalten von ausgesuchten Umweltchemikalien an mineralische Festphasen und danach die Verdrängung dieser Chemikalien durch biogene Tenside untersucht. Als Umweltchemikalien dienten in den Experimenten Di-(n-butyl)phthalat (DBP) und Di-(2-ethylhexyl)phthalat (DEHP), die in industriellem Maßstab hauptsächlich als Weichmacher in Kunststoffen verwendet werden und fünf ausgewählte polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), die bei pyrolytischen Prozessen sowie der unvollständigen Verbrennung organischen Materials entstehen. In den durchgeführten Versuchsreihen dienten ein smektitreicher Bentonit, Quarzsand und Gemische aus diesen beiden Stoffen mit verschiedenen Gewichtsanteilen der Bentonit- und Sandphase sowie Seesand als Adsorbermedium für die Umweltchemikalien. Diese Variationen sollten das unterschiedliche Verhalten der verschiedenen Festphasen bezüglich der drei untersuchten Prozesse (Adsorption, Desorption und Austausch) mit den Chemikalien verdeutlichen. Untersuchungen am verwendeten Bentonit ergaben, daß sein Hauptbestandteil ein Calcium- Montmorillonit war. Der Montmorillonit ist ein quellfähiges, dioktaedrisches Tonmineral aus der Gruppe der Smektite. Die Quellfähigkeit dieses Smektits wurde in Quellversuchen mit Ethylenglykol und Glycerin mittels Röntgendiffraktometrie festgestellt. Die chemische Zusammensetzung des Minerals wurde mit Röntgenfluoreszenzmessungen analysiert. Mit dem Greene-Kelly-Test wurde der Montmorillonit als smektitischer Anteil im Bentonit identifiziert. Im Laufe einer jeden Versuchsreihe sind nacheinander drei Prozesse mit jeder Probe im Labor untersucht worden: 1. Adsorption von Umweltchemikalien (Phthalate und PAK) an Sandproben mit unterschiedlichen Tongehalten und an reinen Tonproben. 2. Desorption der adsorbierten Umweltchemikalien aus den Sand/Ton-Gemischen und Tonproben in vier Schritten. 3. Austausch dieser Chemikalien aus den Sand/Ton-Gemischen und Tonproben gegen biogene Tenside. Im ersten Schritt der Batch-Experimente wurden die beiden Phthalate bzw. die PAK (Naphthalin, Acenaphthen, Fluoren, Phenanthren und Fluoranthen) aus einer wässrigen Lösung an die mineralischen Festphasen adsorbiert. Die Phthalate wurden in einem 1:1 Verhältnis in den Experimenten eingesetzt, die fünf PAK als ein Gemisch oder auch einzeln. Für die PAKAdsorption wurde auch eine Wasser-Aceton-Mischung beim Adsorptionsversuch verwendet, da sich dadurch ihre Löslichkeit erheblich verbessern ließ und die kinetischen Reihenversuche bezüglich der Gleichgewichtseinstellung wesentlich gleichmäßiger verliefen. Die Proben wurden 20 Stunden lang bis zur Einstellung des Gleichgewichts im Überkopfmischer geschüttelt. Die festen Phasen wurden danach von den wässrigen Phasen getrennt und zur Ermittlung der Einstellung des Desorptionsgleichgewichts weiterverwendet. Die wässrigen Phasen wurden mit organischen Lösemitteln extrahiert und der Gehalt an Umweltchemikalien gaschromatographisch quantifiziert. Die verbliebenen Festphasen wurden jeweils viermal mit frischem, destilliertem Wasser 20 Stunden lang zur Ermittlung des Gleichgewichts der Desorption geschüttelt, wobei nach Abtrennung der wässrigen Phasen diese auf ihren Organikgehalt hin wie oben beschrieben untersucht wurden. An diese vier Desorptionsschritte schloß sich das Verdrängungsexperiment einer Versuchsreihe an. Hierbei wurden verseifte, langkettige biogene Tenside (Alkoholate und Carbonsäuresalze mit geradzahliger Anzahl der Kohlenstoffatome) zu jeder Probe hinzugegeben und jede Festphase nochmals mit frischem Wasser im Überkopfmischer geschüttelt. In diesem Schritt sollte überprüft werden, ob die in den Festphasen verbliebenen Phthalate und PAK durch Zugabe von biogenen Tensiden in höherem Maße in der wässrigen Phase wiedergefunden werden als dies aus dem jeweiligen Desorptionsgleichgewicht zu erwarten war. Mit den Ergebnissen konnten Adsorptionsisothermen (nur für Phthalate) aufgenommen und Angaben zur Einstellung des Desorptionsgleichgewichts oder dessen Störung nach Austauschexperimenten gemacht werden. Die Auswertung der Adsorptionsexperimente ergab, daß Festphasen mit Bentonitanteil befähigt sind, einen höheren Anteil an Phthalaten und PAK zu adsorbieren als reine Sandproben. Bei kleinen Phthalatkonzentrationen wurde DEHP aufgrund einer stärkeren Affinität zur Festphase besser adsorbiert als DBP. Stiegen die Phthalatzugaben, so wurde DBP in höherem Maße als DEHP adsorbiert. Dies wurde durch eine bessere Einlagerung der DBP-Moleküle in die innerkristallinen Zwischenschichten des Montmorillonit-Minerals ermöglicht (Interkalation). Röntgenographisch wurde ein deutlich vergrößerter Wert für den Schichtabstand im Montmorillonit nachgewiesen als im ursprünglichem Zustand (bis zu 18 Å gegenüber 15,3 Å). Die Desorptionsisothermen zeigten für Festphasen mit Quarzsandanteilen häufig ein ungleichmäßiges Verhalten. So wurde häufig im zweiten und dritten Desorptionsschritt eine unerwartet hohe Menge an Phthalaten in der wässrigen Lösung gefunden. Reine Bentonitproben zeigten dagegen eine gleichmäßige Konzentrationsabnahme der Phthalate nach jedem Desorptionsschritt. Der eingesetzte Bentonit war in der Lage, Phthalate stärker von der Desorption zurückzuhalten als Quarzsand. Die Einstellung des Desorptionsgleichgewichts erfolgte mit reinem Bentonit schneller als bei Sandproben oder Sand-Bentonit Gemischen. Bei Austauschexperimenten, in denen die ursprünglich eingesetzte Menge an Phthalaten unter 1 mg lag, wurden keine Verdrängungsprozesse festgestellt. Stiegen die Konzentrationen der Phthalate (bis zu ca. 200 mg), so kam es aufgrund der größeren Oberflächenbelegung im Montmorillonit zu Verdrängungsprozessen der Phthalate durch biogene Tenside. Die Extraktion der wässrigen Lösung ergab nach dem Austauschexperiment eine höhere Menge an Phthalaten als es aus dem Desorptionsexperimenten erwartet worden war. Insgesamt wurde mehr DBP als DEHP nach den Austauschexperimenten in der wässrigen Lösung gefunden. Da DBP besser als DEHP in die Zwischenschichten des Montmorillonits eingebaut wurde, konnte auch diese Feststellung damit erklärt werden, daß biogene Tenside die Phthalate aus den innerkristallinen Zwischenschichten verdrängen. Bei PAK wurden Verdrängungsprozesse nur im Falle von Phenanthren festgestellt. Bei anderen in den Experimenten eingesetzten PAK (vorwiegend Naphthalin, Acenaphthen und Fluoren) war offenbar der Dampfdruck so groß, daß vor dem Austauschexperiment nicht mehr genügend organisches Material in der Bodenprobe adsorbiert war. Bei parallel durchgeführten Versuchen mit reinem Quarzsand und mit Seesand als Festphase wurde dagegen weder bei Phthalaten noch PAK eine wesentliche Störung des Desorptionsgleichgewichts in der Größenordnung der bentonithaltigen Proben nach dem Verdrängungsexperiment festgestellt. Dies ist ein Hinweis darauf, daß Verdrängungsprozesse bevorzugt auf Oberflächen von Tonmineralen stattfinden. Insgesamt konnte mit dieser Arbeit gezeigt werden, daß Gleichgewichtseinstellungen von Umweltchemikalien an Tonmineralen durch biogene Tenside gestört werden können. Durch die Einwirkung der biogenen Tenside kommt es zu einer verstärkten Desorption der Umweltchemikalien aus den Tonmineralen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit eine Bewegungsschärzung aus monokularen Bildsequenzen von Straßenverkehrsszenen und eine darauf aufbauende Hinderniserkennung mit Hilfe von statistischen oder neuronalen Methoden realisiert werden kann. Bei dem zugrunde liegenden mathematischen Modell wird angenommen, daß die Umgebung, in der sich ein Fahrzeug bewegt, im wesentlichen eben ist, was für Verkehrsequenzen in guter Näherung erfüllt ist. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein statistisches Verfahren zur Bewegungsschätzung vorgestellt und diskutiert. Der erste Schritt dieses Verfahrens stellt die Generierung eines sogenannten Markantheitsbildes dar, in welchem Objektkanten und Objektecken visuell hervorgehoben werden. Für die daraus resultierende Liste von markanten Bildbereichen werden anschließend unter Verwendung einer sogenannten Verschiebungsvektorschätzung, Korrespondenzen im zeitlich folgenden Bild ermittelt. Ausgehend von dem resultierenden Verschiebungsvektorfeld, werden in dem nächsten Schritt des Verfahrens die Bewegungsgrößen ermittelt, also die Rotationsmatrix und der Translationsvektor des Fahrzeugs, beziehungsweise der Kamera. Um abschließend eine Hinderniserkennung realisieren zu können, erfolgt unter Verwendung der Bewegungsgrößen eine Bewegungskompensation der Bilddaten. Bei einer solchen Bewegungskompensation wird unter Verwendung der ermittelten Bewegungsgrößen und dem Modell der bewegten Ebene eine Rücktransformation jedes Bildpixels durchgeführt, so daß bei der Bildung eines Differenzbildes zwischen dem bewegungskompensierten Bild und dem tatsächlich aufgenommenen Bild, dreidimensionale Strukturen, die ja das Ebenenmodell verletzen, deutlich hervortreten und somit auf potentielle Hindernisse hinweisen. Es hat sich gezeigt, daß Fehlmessungen in den Verschiebungsvektoren, welche beispielsweise durch periodische Strukturen auf der Ebene auftreten können, die Bewegungsschätzung und die Hinderniserkennung empfindlich stören. Diese statistischen Ausreißer bewirken, daß trotz der Verwendung von robusten Schätzmethoden, eine stabile Hinderniserkennung nur durch die Einbeziehung von Vorwissen über die Art der Bewegung des Fahrzeugs realisiert werden kann. Weiterhin führen die Komplexität des Verfahrens und die damit verbundenen hohen Anforderungen an die Rechenleistung der eingesetzten Hardware dazu, daß die für die praktische Anwendbarkeit so wichtige Echtzeitfähigkeit des Verfahrens bisher nur für Eingangsbilder mit geringer Auflösung ermöglicht werden konnte. Speziell für die Bildverarbeitung hat sich das neue Paradigma der Zellularen Neuronalen Netzwerke als außerordentlich leistungsfähig erwiesen. Neben der extrem hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit von CNN-basierten schaltungstechnischen Realisierungen zeichnen sie sich durch eine hohe Robustheit bei vertauschten oder fehlerhaften Eingangsdaten aus. Für nahezu jedes aktuelle Problem der Bildverarbeitung wurde bisher ein geeignetes CNN bestimmt. Auch für komplexe Aufgabenstellungen aus der Bildverarbeitung, wie beispielsweise die Texturklassifikation, die Spurverfolgung oder die Gewinnung von Tiefeninformation konnten bereits CNN-Programme implementiert und schaltungstechnisch verwirklicht werden. So konnte auch im zweiten Teil dieser Arbeit gezeigt werden, daß die einzelnen Schritte der Hinderniserkennung aus monokularen Bildsequenzen ebenfalls unter Verwendung eines CNN realisierbar sind. Es wurde demonstriert, daß für die Generierung eines Markantheitsbildes bereits ein Standard-CNN mit linearer Kopplungsfunktion und der Nachbarschaft r=1 verwendet werden kann. Das rechenaufwändige statistische Verfahren der Markantheitsbildberechnung kann somit durch einen einzigen CNN-Verarbeitungsschritt durchgeführt werden. Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, daß auch der folgende, rechenintensive Schritt des statistischen Verfahrens der Hinderniserkennung, nämlich die Verschiebungsvektorschätzung, mittels CNN verwirklicht werden kann. Hierzu sind CNN mit polynomialen Kopplungsfunktionen und der Nachbarschaft r=1 notwendig. Bei den durchgeführten Untersuchungen hat sich herausgestellt, daß die CNN-basierten Verarbeitungsschritte den statistischen Methoden in den Punkten Robustheit und Verarbeitungsgeschwindigkeit deutlich überlegen sind. Abschließend wurde in dieser Arbeit gezeigt, daß mit Hilfe von CNN sogar eine direkte Hinderniserkennung aus monokularen Bildsequenzen - ohne den Umweg über die Bestimmung der Verschiebungsvektoren und der Bewegungsgrößen - realisiert werden kann. In dem vorgestellten Verfahren wird nach zwei Vorverarbeitungsschritten, die Hinderniserkennung in einem einzigen Schritt unter Verwendung eines CNN mit polynomialen Zellkopplungsgewichten vom Grade D=3 und der Nachbarschaft r=2 durchgeführt. Das vorgeschlagene Verfahren führt zu einer wesentlichen Vereinfachung der Hinderniserkennung in monokularen Bildsequenzen, da die Bewegegungsschätzung aus dem statistischen Verfahren nicht länger notwendig ist. Die Umgehung der expliziten Bewegungsschätzung hat weiterhin den Vorteil, daß der Rechenaufwand stark reduziert wurde und durch den Wegfall der Verschiebungsvektorschätzung und dem damit verketteten Problem der Ausreißer, ist das vorgestellte CNN-basierte Verfahren außerdem sehr robust. Die ersten Resultate, die unter Verwendung von synthetischen und natürlichen Bildsequenzen erhalten wurden, sind überaus vielversprechend und zeigen, daß CNN ausgezeichnet zur Verarbeitung von Videosequenzen geeignet sind.
High shares of intermittent renewable power generation in a European electricity system will require flexible backup power generation on the dominant diurnal, synoptic, and seasonal weather timescales. The same three timescales are already covered by today’s dispatchable electricity generation facilities, which are able to follow the typical load variations on the intra-day, intra-week, and seasonal timescales. This work aims to quantify the changing demand for those three backup flexibility classes in emerging large-scale electricity systems, as they transform from low to high shares of variable renewable power generation. A weather-driven modelling is used, which aggregates eight years of wind and solar power generation data as well as load data over Germany and Europe, and splits the backup system required to cover the residual load into three flexibility classes distinguished by their respective maximum rates of change of power output. This modelling shows that the slowly flexible backup system is dominant at low renewable shares, but its optimized capacity decreases and drops close to zero once the average renewable power generation exceeds 50% of the mean load. The medium flexible backup capacities increase for modest renewable shares, peak at around a 40% renewable share, and then continuously decrease to almost zero once the average renewable power generation becomes larger than 100% of the mean load. The dispatch capacity of the highly flexible backup system becomes dominant for renewable shares beyond 50%, and reach their maximum around a 70% renewable share. For renewable shares above 70% the highly flexible backup capacity in Germany remains at its maximum, whereas it decreases again for Europe. This indicates that for highly renewable large-scale electricity systems the total required backup capacity can only be reduced if countries share their excess generation and backup power.