Im Rahmen dieser Masterarbeit soll eine open-source und frei verfügbare Simulation eines Ökosystems in Unity konzipiert, implementiert und evaluiert werden, welche skalierbar, erweiterbar und grafisch anpassbar ist. Hierfür wird ein theoretisches Konzept vorgestellt, welches danach in Unity implementiert wird. Dafür werden bewährte Dokumentationsformen wie UML-Diagramme benutzt, um eine Erweiterbarkeit möglichst einfach zu gestalten. Darüber hinaus wird eine Gamification der Simulation stattfinden, welche gleichzeitig quantitativ ausgewertet wird, um Hypothesen zur Leistung, der Benutzbarkeit sowie der Einschätzung der Visualisierung zu klären. Es wurde eine Problemanalyse sowie der aktuelle Forschungsstand und nötige Grundlagen erläutert. Darüber hinaus findet eine Zielgruppenanalyse statt, bei der vier Hauptgruppen vorgestellt werden, wobei lernende Personen einen besonderen Stellenwert haben. Anschließend wird der aktuelle Forschungsstand vorgestellt, zusammen mit den grundlegenden mathematischen Modellen zur Simulation selbst. Darüber hinaus werden biotische und abiotische Faktoren erklärt und wie diese modelliert sind. Die Umsetzung eines Prototyps findet in der Unity Engine statt und resultiert in einer Anwendung, welche von Personen aus der Zielgruppe „lernende Personen“ erprobt wird. Diese können nach der Anwendung dazu Fragen beantworten. So neigen zum Beispiel Personen aus dieser Zielgruppe eher dazu, dass die Anwendung unterhaltsam sein solle anstelle von lehrreich. Besitzen aber zugleich einen hohen Anspruch an gestellten Aufgaben und Visualisierung. Die simulierende Leistung liegt bei circa 10.000 Agents, welche Pflanzen oder Tiere sind, zusammen mit einem anpassbaren Klima- und dynamischen Zeitsystem zusammen mit Datenvisualisierung, wie zum Beispiel der Bodenfeuchte und dessen Veränderung über die Zeit.:Abkürzungsverzeichnis Glossar 1 Einleitung 2 Problematik und Definitionen 2.1 Problemanalyse 2.2 Zielgruppenanalyse 2.2.1 Industrie 2.2.2 Öffentliche Einrichtungen 2.2.3 Bildungsbereich 2.2.4 Hypothesen 2.2.5 Beschreibung aus Sicht von Benutzenden 2.3 Definitionen und Begriffe 2.3.1 Simulation 2.3.2 Biologische Ökosysteme 2.3.3 Simulation eines Ökosystems 2.3.4 Agent 2.3.5 Gamification 2.4 Aktueller Stand 2.5 Fokus der Simulation 2.6 Thematische Abgrenzung 2.6.1 Marine Ökosysteme 2.6.2 Teile der Flora 2.6.3 Teile der Fauna 2.6.4 Stoffkreislauf und Rolle des Destruenten 2.6.5 Chemische Wechselwirkungen 2.6.6 Verhaltensweisen von Agents im Vergleich zu Tieren 3 Modellierung der Simulation 3.1 Mathematische Grundlagen 3.1.1 Knoten, Kanten und Graphen 3.1.2 Raycast 3.1.3 Quaternionen 3.1.4 Hashset 3.1.5 Symmetric Dictionary 3.1.6 Zufall 3.1.7 Perlin Noise 3.1.8 Zeit 3.1.9 Sonnenwinkel 3.2 Grafik 3.3 Abbildung von biologischen Vorgängen 3.3.1 Reaktion auf Grundlage von Neuronen 3.3.2 Grundbedürfnis 3.3.3 Eigenschaften 3.3.4 Fortpflanzung und natürliche Mutation 3.3.5 Selektion 3.4 Zeit 3.5 Umwelt 3.5.1 Pflanzen 3.5.2 Boden 3.6 Eventsysteme 3.6.1 Zeitevents 3.6.2 Klima-Events 3.6.3 Benutzerevents 3.6.4 Taskevents 3.7 Gamification 4 Implementation in Unity 4.1 Unity Engine 4.1.1 Unity-Engine Vorstellung 4.1.2 Benutze Unity Funktionen 4.1.3 Unity Render-Pipeline 4.2 Abbildung des geplanten Systems 4.2.1 Klassenübersicht 4.2.2 Simulationsverwaltung 4.2.3 Zeitbehandlung 4.2.4 Klimasimulation 4.2.5 Player Controller 4.2.6 Aufgabenverwaltung 4.2.7 Agentcontroller 4.2.8 Laufzeitanalyse 4.3 Benutzeroberflächen und Design 4.3.1 Aufbau und Oberflächenkonzeption 4.3.2 Umsetzung der Oberfläche 5 Evaluation 5.1 Definitionen und Rahmenbedingungen 5.2 Definitionen der Fragen 5.3 Auswertung 5.3.1 Statistische Auswertung 5.3.2 Hypothesenuntersuchung 5.3.3 Freitextanalyse 6 Abschluss 6.1 Zusammenfassung 6.2 Auswertung 6.3 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang / In the context of this master thesis, an open source simulation of an ecosystem in Unity is to be designed, implemented and evaluated. This system has to be scalable, expandable and graphically adaptable for any potential use cases. For this purpose, a theoretical concept will be presented which will be implemented in Unity. Proven forms of documentation such as UML diagrams are used in order to make extensibility as simple as possible. Furthermore, a gamification of the simulation will take place, which will be evaluated quantitatively at the same time in order to clarify hypotheses on performance, usability and the assessment of the visualisation. A problem analysis as well as the current state of research and necessary basics were explained. In addition, a target group analysis is carried out, in which four main groups are presented, with special emphasis on learning people. The current state of research is then presented, together with the basic mathematical models for the simulation itself. Furthermore, biotic and abiotic factors are explained and how they are influenced by other factors. The implementation of a prototype takes place in the Unity Engine and results in an application that is tested by learning people. After the tasks of the application, they can answer questions about it and could give Feedback. For example, people from this target group tend to want the application to be entertaining instead of educational. At the same time, they have high expectations of the tasks and visualisation. The simulating performance is about 10.000 agents which are plants or animals, together with an adaptable climate and dynamic time system together with data visualisation such as soil moisture and its change over time.:Abkürzungsverzeichnis Glossar 1 Einleitung 2 Problematik und Definitionen 2.1 Problemanalyse 2.2 Zielgruppenanalyse 2.2.1 Industrie 2.2.2 Öffentliche Einrichtungen 2.2.3 Bildungsbereich 2.2.4 Hypothesen 2.2.5 Beschreibung aus Sicht von Benutzenden 2.3 Definitionen und Begriffe 2.3.1 Simulation 2.3.2 Biologische Ökosysteme 2.3.3 Simulation eines Ökosystems 2.3.4 Agent 2.3.5 Gamification 2.4 Aktueller Stand 2.5 Fokus der Simulation 2.6 Thematische Abgrenzung 2.6.1 Marine Ökosysteme 2.6.2 Teile der Flora 2.6.3 Teile der Fauna 2.6.4 Stoffkreislauf und Rolle des Destruenten 2.6.5 Chemische Wechselwirkungen 2.6.6 Verhaltensweisen von Agents im Vergleich zu Tieren 3 Modellierung der Simulation 3.1 Mathematische Grundlagen 3.1.1 Knoten, Kanten und Graphen 3.1.2 Raycast 3.1.3 Quaternionen 3.1.4 Hashset 3.1.5 Symmetric Dictionary 3.1.6 Zufall 3.1.7 Perlin Noise 3.1.8 Zeit 3.1.9 Sonnenwinkel 3.2 Grafik 3.3 Abbildung von biologischen Vorgängen 3.3.1 Reaktion auf Grundlage von Neuronen 3.3.2 Grundbedürfnis 3.3.3 Eigenschaften 3.3.4 Fortpflanzung und natürliche Mutation 3.3.5 Selektion 3.4 Zeit 3.5 Umwelt 3.5.1 Pflanzen 3.5.2 Boden 3.6 Eventsysteme 3.6.1 Zeitevents 3.6.2 Klima-Events 3.6.3 Benutzerevents 3.6.4 Taskevents 3.7 Gamification 4 Implementation in Unity 4.1 Unity Engine 4.1.1 Unity-Engine Vorstellung 4.1.2 Benutze Unity Funktionen 4.1.3 Unity Render-Pipeline 4.2 Abbildung des geplanten Systems 4.2.1 Klassenübersicht 4.2.2 Simulationsverwaltung 4.2.3 Zeitbehandlung 4.2.4 Klimasimulation 4.2.5 Player Controller 4.2.6 Aufgabenverwaltung 4.2.7 Agentcontroller 4.2.8 Laufzeitanalyse 4.3 Benutzeroberflächen und Design 4.3.1 Aufbau und Oberflächenkonzeption 4.3.2 Umsetzung der Oberfläche 5 Evaluation 5.1 Definitionen und Rahmenbedingungen 5.2 Definitionen der Fragen 5.3 Auswertung 5.3.1 Statistische Auswertung 5.3.2 Hypothesenuntersuchung 5.3.3 Freitextanalyse 6 Abschluss 6.1 Zusammenfassung 6.2 Auswertung 6.3 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang

The human Embryonic Stem Cells (hESCs) and human induced Pluripotent Stem Cells (hiPSCs) have offered numerous advantages including but not limited to model diseases, high-throughput drug screening, and regenerative purposes. However, the employment of monolayer cultures has not been sufficient to mimic the in vivo stem cells niche. Thus, three-dimensional suspension cultures have helped us to advance our knowledge and ease the development of the human organs’ counterparts, commonly referred as organoids. Currently, the challenge is the generation of homogenous and reproducible human Pluripotent Stem Cell (hPSC) aggregates, the basic cellular unit to derive organoids. To date, the Ultra-Low Attachment (ULA) 6-well plates have been routinary used for the hPSC aggregates formation, which mainly relies on the inhibition of the Rho-associated kinase (ROCK) pathway resulting in the enhancement of cell survival coming from cryopreserved stocks or when passaging. However, little is known in this regard when analyzing the aggregate formation of hPSCs with two widely used compounds: RevitaCellTM Supplement and Y27632. Importantly, due to the high demand required from the regenerative medicine, I aimed to upscale the hPSC aggregates production in the DASbox® Mini-Bioreactor System. In this thesis, I established protocols for the hPSC aggregates formation by using two different types of media in two platforms being the ULA 6-well plates and the DASbox® Mini-Bioreactor System. In addition, I demonstrated that monolayer confluence cultures before single cell inoculations are paramount for the formation of bona fide hPSC aggregates in healthy and X aneuploid hiPSCs, precisely two hESCs and five hiPSCs.

This thesis encompasses the development of the additive manufacturing technology melt electrowriting, in order to achieve the improved applicability in biomedical applications and design of scaffolds. Melt electrowriting is a process capable of producing highly resolved structures from microscale fibres. Nevertheless, there are parameters influencing the process and it has not been clear how they affect the printing result. In this thesis the influence of the processing and environmental parameters is investigated with the impact on their effect on the jet speed, fibre diameter and scaffold morphology, which has not been reported in the literature to date and significantly influences the printing quality. It was demonstrated that at higher ambient printing temperatures the fibres can be hampered to the extent that the individual fibres are completely molten together and increased air humidity intensifies this effect. It was also shown how such parameters as applied voltage, collector distance, feed pressure and polymer temperature influence the fibre diameter and critical translation speed. Based on these results, a detailed investigation of the fibre diameter control and printing of scaffolds with novel architectures was made. As an example, a 20-fold diameter ratio is obtained within one scaffold by changing the collector speed and the feed pressure during the printing process. Although the pressure change caused fibre diameter oscillations, different diameter fibres were successfully integrated into two scaffold designs, which were tested for mesenchymal stromal cell suspension and adipose tissue spheroid seeding. Further design and manufacturing aspects are discussed while jet attraction to the printed structures is illuminated in connection with the fibre positioning control of the multilayer scaffolds. The artefacts that appear with the increasing scaffold height of sinusoidal laydown patterns are counteracted by layer-by-layer path adjustment. For the prediction of a printing error of the first deposited layer, an algorithm is developed, that utilizes an empirical jet lag equation and the speed of fibre deposition. This model was able to predict the position of the printing fibre with up to ten times smaller error than the of the programmed path. The same model allows to qualitatively assess the fibre diameter change along the nonlinear pattern as well as to indicate the areas of the greatest pattern deformation with the growing scaffold height. Those results will be used in the later chapters for printing of the novel MEW structures for biomedical applications. In the final chapter the concept of multimodal scaffold was combined with the suspended fibre printing, for the manufacturing of the MEW scaffolds with controlled pore interconnectivity in three dimensions. Those scaffolds were proven to be a promising substate for the control of the neurite spreading of the chick DRG neurons. / Diese Arbeit umfasst die Entwicklung der additiven Fertigungstechnologie Schmelzelektroschreiben, um die verbesserte Anwendbarkeit in biomedizinischen Anwendungen und die Konstruktion von Gerüsten zu erreichen. Schmelzelektroschreiben ist ein Verfahren, das in der Lage ist, hochaufgelöste Strukturen aus mikroskaligen Fasern zu erzeugen. Dennoch gibt es Parameter, die den Prozess beeinflussen, und es ist nicht klar, wie sie sich auf das Druckergebnis auswirken. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Verarbeitungs- und Umweltparameter mit der Auswirkung auf deren Einfluss auf die Polymerstrahlgeschwindigkeit, den Faserdurchmesser und die Gerüstmorphologie untersucht, was bisher in der Literatur nicht berichtet wurde und die Druckqualität wesentlich beeinflusst. Es konnte gezeigt werden, dass bei höheren Umgebungstemperaturen die Entstehung von zylindrischen Fasern soweit behindert werden können, dass die einzelnen Fasern vollständig zusammengeschmolzen werden und eine erhöhte Luftfeuchtigkeit diesen Effekt verstärkt. Es wurde auch gezeigt, wie solche Parameter wie angelegte Spannung, Kollektorabstand, Vorschubdruck und Polymertemperatur den Faserdurchmesser und die kritische Translationsgeschwindigkeit beeinflussen. Basierend auf diesen Ergebnissen, wurde eine detaillierte Untersuchung der Faserdurchmessersteuerung durchgeführt und Gerüsten mit neuartigen Architekturen wurden gedruckt. Als Beispiel wird ein 20-fach Durchmesserverhältnis innerhalb eines Gerüstes durch die Änderung der Kollektorgeschwindigkeit und des Vorschubdrucks während eines Druckvorgangs erreicht. Obwohl die Vorschubdruckveränderung spürbare Oszillationen des Faserdurchmessers verursachte, wurden Fasern mit unterschiedlichen Durchmessern erfolgreich in zwei Scaffoldmuster integriert, die für mesenchymale Stromazell und L929 Zellsuspension und die Aussaat von Fettgewebe-Sphäroiden getestet wurden. Weitere Design- und Herstellungsaspekte werden diskutiert, während die Polymerstrahlanziehung auf die gedruckten Strukturen in Verbindung mit der Faserpositionierungssteuerung der mehrschichtigen Scaffolds beleuchtet wird. Den Artefakten, die mit zunehmender Gerüsthöhe sinusförmiger Ablagemuster auftreten, wird durch schichtweise Anpassung von Verfahrweg des Kollektors entgegengewirkt. Für die Vorhersage eines Druckfehlers der ersten abgelegten Schicht wurde ein Algorithmus entwickelt, der die empirischen Zusammenhänge zwischen Kollektorgeschwindigkeit, Nachlauf, und die Geschwindigkeit der Faserablage verwendet. Dieses Modell war in der Lage die Position der gedruckten Faser mit einem bis zu zehnmal kleinerem Fehler als die Position auf dem programmierten Pfad vorherzusagen. Dasselbe Modell erlaubt es, die Änderung des Faserdurchmessers entlang des nichtlinearen Musters qualitativ zu bewerten und die Bereiche mit der größten Musterdeformation mit zunehmender Gerüsthöhe anzuzeigen. Diese Ergebnisse werden in anderen Kapiteln für den Druck der neuartigen MEW-Strukturen für biomedizinische Anwendungen verwendet. Im letzten Kapitel wurde das Konzept des multimodalen Gerüstes mit dem Druck von hängenden Fasern kombiniert, um MEW-Gerüste mit kontrollierter Porenvernetzung in drei Dimensionen herzustellen. Diese Gerüste erwiesen sich als vielversprechendes Substrat für die Kontrolle der Neuritenausbreitung der Nervenzellen aus Spinalganglien.

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3D printed on-skin electrodes are of notable interest because, unlike traditional wet silver/silver chloride (Ag/AgCl) on-skin electrodes, they can be personalized and 3D printed using a variety of materials with distinct properties such as stretchability, conformal interfaces with skin, biocompatibility, wearable comfort, and, finally, low-cost manufacturing. Dry on-skin electrodes, in particular, have the additional advantage of replacing electrolyte gel, which dehydrates and coagulates with prolonged use. However, issues arise in performance optimization with the recently discovered dry materials. These challenges become even more critical when the on-skin electrodes are scaled down to a miniaturized size, making the detection of various biosignals while keeping mechanical resilience under several conditions crucial. Thus, this thesis focuses on designing, fabricating, optimizing, and applying a personalized, fully 3D-printed permeable skin patch with miniaturized octopus-like suckers and embedded microchannels for enhanced mechanical strengths, breathability, and biosignal monitoring. The developed device showcases a rapid, cost-effective fabrication process of porous skin patches and the printing process of ink metal-based materials that expands its applications to low-resource settings and environments.

Creating interactive prototypes can be a long and difficult process. It requires expertise in various fields. Prior work in developing interactive prototypes minimize time required to make a prototype, but generally sacrifice fidelity for fluidity. Advances in 3D printing create new opportunities to prototype with greater fidelity and fluidity. We investigate the use of several kinds of sensors, including IR photo interrupters, IR photo reflectors, push button switches, and potentiometers, to create interactive prototypes. We first design a library of 3D printable interaction components, buttons, sliders, and knobs using those sensors then we develop software to transform interaction events into events in computer programs. The combinations of interaction components and sensing devices are evaluated based on their durability and ability to be printed into prototypes and used as human-computer interface devices.

3D-aware image synthesis has attracted increasing interest as it models the 3D nature of our real world. However, performing realistic object-level editing of the generated images in the multi-object scenario still remains a challenge. Recently, a 2D GAN termed BlobGAN has demonstrated great multi-object editing capabilities on real-world indoor scene datasets. In this work, we propose BlobGAN-3D, which is a 3D-aware improvement of the original 2D BlobGAN. We enable explicit camera pose control while maintaining the disentanglement for individual objects in the scene by extending the 2D blobs into 3D blobs. We keep the object-level editing capabilities of BlobGAN and in addition allow flexible control over the 3D location of the objects in the scene. We test our method on real-world indoor datasets and show that our method can achieve comparable image quality compared to the 2D BlobGAN and other 3D-aware GAN baselines while being the first to enable camera pose control and object-level editing in the challenging multi-object real-world scenarios.

Im präklinischen Ausbildungsabschnitt des Zahnmedizinstudiums sollen die Studierenden möglichst umfassend und vielseitig auf die Behandlung von Patienten vorbereitet werden. Bislang zählt die Schienung parodontal gelockerter Zähne nicht zum Ausbildungsspektrum und es gibt kein Übungsmodell, mit welchem diese Art der Versorgung erlernt werden könnte. Ziel dieser Studie war es, Zähne für ein Übungsmodell zu entwickeln, dieses mithilfe des 3D-Druckes herzustellen, sowie zusätzlich die Handhabung von verschiedenen Schienungsmaterialien von ungeübten Behandlern bewerten zu lassen. Es wurden parodontal gelockerte Zähne digital designt und mithilfe eines Stereolithographie 3D-Druckers gedruckt. Insgesamt 43 Studierende des siebten Fachsemesters nahmen im Rahmen des Parodontologiekurses freiwillig an der Studie teil. Es wurden pro Teilnehmer zwei Garnituren Zähne jeweils mit dem Material everStick Perio (GC Dental) und dem Material Ribbond Ultra (Ribbond Inc.) geschient. Die Bewertung der gedruckten Übungszähne sowie der zwei Schienungsmaterialien durch die Teilnehmer erfolgte mithilfe eines Fragebogens unter Nutzung der Schulnoten von 1 (sehr gut) bis 6 (ungenügend). Die geschienten Modelle wurden gescannt und digital verglichen. Die Schienungsübung wurde insgesamt als „gut“ empfunden. Die Realitätstreue der Zahnlockerungen sowie die Repositionierung der Zähne in den Zahnbogen wurden mit der Note „befriedigend“ bewertet. Das Material everStick Perio bekam in der Handhabung die Note „befriedigend“, das Material Ribbond Ultra die Note „gut“. Der Lerneffekt der Übung wurde mit der Note „gut“ bewertet, wobei die Teilnehmer ihre eigenen Fähigkeiten vor dem Kurs als „mangelhaft“ und nach dem Kurs als „gut“ bewerteten. Die digitale Auswertung der geschienten Modelle ergab keinen signifikanten Unterschied zwischen den einzelnen Gruppen, welche sich nach Schienungsmaterial, Erst- oder Zweitversuch der Schienung sowie den einzelnen geschienten Zähnen aufgliederten. Die Anwendbarkeit dieses Trainingskonzeptes wurde bestätigt, da sich aus Sicht der Studierenden ein positiver Lerneffekt zeigte. / In preclinical dental education, students need to be sufficiently prepared for treating patients. Until now, there is no model available for learning the treatment of periodontal splinting. In this study, we used 3D printing to produce artificial teeth with variable degrees of mobility and compared the usage of two different splinting materials by unexperienced practitioners. Teeth with degrees of mobility were digitally designed and printed using the stereolithography 3D printing process. 43 dentistry students in the fourth year participated in this study. Each student had to splint two sets of teeth using the splinting materials Ribbond Ultra (Ribbond, Inc.) and everStick Perio (GC Dental). The study model and the splinting materials were evaluated through a digital questionaire with school grades from 1 (very good) to 6 (insufficient). The splinted teeth were digitally scanned and compared with an ideally splinted study model. The splinting practice was overall rated with „good“. The degrees of mobility compared to a clinical situation and the repositioning of the teeth were answered with „satisfactory“. The material everStick Perio was „satisfactory“, the material Ribbond Ultra was „good“. The overall learning effect was „good“, whereby the participants described their ability to splint teeth before the course as „inadequate“ and after the course as „good“. The digital comparison of the splinted models showed no significant difference between the splinting materials. There was also no significant difference between the first and second attempt of splinting and no differences between the teeth. The applicability of this training model was confirmed as the students experienced a learning success for periodontal splinting.