Biomechanik

 

 

Projekte:

Zahlreiche biologische Systeme sind mit dünnen Schichten bedeckt, die dem Schutz, der selektiven Absorption, und dem transmembranen Transport dienen. Typische Beispiele sind die Haut als Schutzmantel des gesamten Körpers, die Schleimhaut als Schutz der Lungen, und die Kortex als Schutzhülle des Gehirns. Biologische Oberflächen weisen üblicherweise ein anderes Materialverhalten als der ihnen anhaftende Festkörper selbst auf; insbesondere wachsen sie häufig mit einer anderen Geschwindigkeit. Wachstum, morphologische Instabilitäten und das Ausbeulen biologischer Oberflächen sind bereits intensiv untersucht worden, wobei die Oberfläche bisher immer als Schicht mit einer finiten Dicke mo-delliert wurde. Jedoch wurde bislang nie das Wachstum der Oberfläche selbst untersucht. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, die Theorie von Kontinua mit Oberflächenenergien und wachsenden Oberflächen zu etablieren, wobei die Oberfläche mit ihrer eigenen freien Oberflächenenergie ausge-stattet ist, und vollkommen unabhänging vom Festkörper selbst wachsen kann. In Analogie zu den klassischen Gleichungen der Kinematik, den Bilanzgleichungen, und den Konstitutivgleichungen wachsender Festkörper sollen im Rahmen dieses Forschungsvorhabens die kontinuumsmechanischen Grundgleichungen für wachsende Oberflächen herleitet werden. Wir werden diese Gleichungen mit Hilfe der Finite Element Methode diskretisieren, und ein robustes und stabiles Computerprogramm bereitstellen, das es uns erlaubt, den Beginn und den Fortschritt morphologischer Oberflächenände-rungen quantitativ vorherzusagen. Das Computerprogramm soll anhand von vier ausgewählten An-wendungen demonstriert werden: Ausbeulen dünner polymerartiger Filme, Faltenbildung in der Haut, Degeneration der Atemröhre, und Gehirnfaltung. Die Modellierung von Oberflächenwachstum hat direkte biomedizinische Anwendungen im Bereich der Plastischen Chirurgie, in der Asthmaforschung, und in der Gehirnentwicklung. Neben diesen biomedizinischen Anwendungen ist das grundsätzliche Verständnis von wachstumsinduzierten morphologischen Instablitäten und Oberflächenfaltung wichtig in der Materialtheorie, der Werkstoffkunde, und der Mikrofertigung, mit direkten Anwendungen z.B. in der Soft-Lithographie, der Messtechnik, und der flexiblen Elektronik.

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Das beantragte Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit der numerischen Simulation und der Modellierung des Verhaltens von EEAPs (Electronic Electro-Active Polymers) unter dem Einfluss elektrischer Belastungen. Obwohl bereits Arbeiten vorliegen, die das Verhalten von EEAPs prinzipiell beschreiben, bedarf es noch weiterer Anstrengungen um die elektro-thermo-mechanische Wechselwirkung in einem Kontinuumskörper zu modellieren, der einerseits großen Formänderungen unterliegt und…

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Beteiligte Wissenschaftler: