The central theme of complex systems research is to understand the emergent macroscopic properties of a system from the interplay of its microscopic constituents. The emergence of macroscopic properties is often intimately related to the structure of the microscopic interactions. Here, we present an analytical approach for deriving necessary conditions that an interaction network has to obey in order to support a given type of macroscopic behaviour. The approach is based on a graphical notation, which allows rewriting Jacobi’s signature criterion in an interpretable form and which can be applied to many systems of symmetrically coupled units. The derived conditions pertain to structures on all scales, ranging from individual nodes to the interaction network as a whole. For the purpose of illustration, we consider the example of synchronization, specifically the (heterogeneous) Kuramoto model and an adaptive variant. The results complete and extend the previous analysis of Do et al. (2012 Phys. Rev. Lett. 108, 194102).

Die vorliegende Arbeit gibt eine umfassende Beschreibung elektrostatisch erregter und kapazitiv detektierter MEMS am Beispiel eines Beschleunigungssensors. Ausgehend von einem Feder-Masse-Dämpfer System wird ein mathematisches Modell des Gesamtsystems für den Reglerentwurf aufgestellt. Neuartige Identifikationsmethoden linearer und nichtlinearer Art ermöglichen eine Identifizierung des mechanischen Modells aus dem elektrostatischen System. Dadurch entfällt der Einsatz kostenintensiver optischer Messtechnik, wobei gleichzeitig die elektrische Signalstrecke identifiziert wird, die zum Reglerentwurf nötig ist. Der Optimal-Reglerentwurf basiert auf dem bekannten Verfahren der H-unendlich und H-2 Minimierung, dessen allgemeine Struktur Gütekriterien wie robuste Stabilität gegenüber Modellunsicherheiten und geforderte Dynamiken zulässt. Aufgrund des nichtlinearen Verhaltens des Gesamtsystems ist die Stabilität nur im Arbeitspunktbereich des für den Reglerentwurf entwickelten Modells garantiert. Die Stabilität innerhalb eines größeren Bereiches wird durch Betrachtung einer geeigneten Energiefunktion und numerischer Berechnungen geprüft. Rauschquellen des Sensorsystems werden abgeschätzt und die Sensitivität des Gesamtsystems analysiert. Möglichkeiten zur Rauschminderung und Sensitivitätserhöhung werden gezeigt, und Entwurfskriterien geben Hinweise zum Entwurf eines Sensorsystems. Schwerpunkt der Arbeit ist die komplette regelungstechnische Analyse und Synthese eines elektrostatisch erregten und detektierten Beschleunigungssensors. Die Auswertung simulativer Ergebnisse und praktischer Messungen bestätigen die Theorie und demonstrieren die Leistung des Entwurfs. / This paper presents a detailed analysis of electrostatic actuated and capacitive detected MEMS. The micro-mechanical system to be analyzed is restricted to an acceleration sensor. A mathematical model is presented for the plant starting from a spring-mass-damping system. New identification methods of linear and nonlinear nature allow the identification of the underlying mechanical system out of the electrostatic one. This saves the use of optical measurement, which reduces the costs enormously. Besides, the methods identify the electrical signal way, which is used for the feedback control. The optimal controller is based on the known methods of H-infinity and H-2 minimization. The model structure also allows one to impose model uncertainties and demanded dynamics on the optimization. The stability is only guaranteed in a narrow band close to the working point because of the nonlinear behavior of the resulting system. Investigations for a wider displacement are done with a proper energy-like function and numerical analysis. Noise sources of the system are estimated and the sensitivity of the complete system is analyzed. Design criteria are given to rise the sensitivity. The focus of this paper is the complete analysis and synthesis of an electrostatic actuated and detected accelerometer. The results from simulations and practical tests confirm the developed theory and the power of the design.

The use of ferroelectric negative capacitance (NC) has been proposed as a promising way to reduce the power dissipation in nanoscale devices [1]. According to single-domain (SD) Landau theory, a hysteresis-free NC state in a ferroelectric might be stabilized in the presence of depolarization fields below a certain critical film thickness tF, SD. However, it is well-known that depolarization fields will cause the formation of domains in ferroelectrics to reduce the depolarization energy [2], which is rarely considered in the literature on NC [3]. The improvident use of SD Landau theory to model NC devices seems to be the main reason for the large discrepancy between experimental data and the current theory [4]. Here, we will show by simulation how anti-parallel domain formation can strongly limit the stability of the NC state in a metal-ferroelectric-insulator-metal (MFIM) structure, which is schematically shown in Fig. 1.

Die vorliegende Arbeit gibt eine umfassende Beschreibung elektrostatisch erregter und kapazitiv detektierter MEMS am Beispiel eines Beschleunigungssensors. Ausgehend von einem Feder-Masse-Dämpfer System wird ein mathematisches Modell des Gesamtsystems für den Reglerentwurf aufgestellt. Neuartige Identifikationsmethoden linearer und nichtlinearer Art ermöglichen eine Identifizierung des mechanischen Modells aus dem elektrostatischen System. Dadurch entfällt der Einsatz kostenintensiver optischer Messtechnik, wobei gleichzeitig die elektrische Signalstrecke identifiziert wird, die zum Reglerentwurf nötig ist. Der Optimal-Reglerentwurf basiert auf dem bekannten Verfahren der H-unendlich und H-2 Minimierung, dessen allgemeine Struktur Gütekriterien wie robuste Stabilität gegenüber Modellunsicherheiten und geforderte Dynamiken zulässt. Aufgrund des nichtlinearen Verhaltens des Gesamtsystems ist die Stabilität nur im Arbeitspunktbereich des für den Reglerentwurf entwickelten Modells garantiert. Die Stabilität innerhalb eines größeren Bereiches wird durch Betrachtung einer geeigneten Energiefunktion und numerischer Berechnungen geprüft. Rauschquellen des Sensorsystems werden abgeschätzt und die Sensitivität des Gesamtsystems analysiert. Möglichkeiten zur Rauschminderung und Sensitivitätserhöhung werden gezeigt, und Entwurfskriterien geben Hinweise zum Entwurf eines Sensorsystems. Schwerpunkt der Arbeit ist die komplette regelungstechnische Analyse und Synthese eines elektrostatisch erregten und detektierten Beschleunigungssensors. Die Auswertung simulativer Ergebnisse und praktischer Messungen bestätigen die Theorie und demonstrieren die Leistung des Entwurfs. / This paper presents a detailed analysis of electrostatic actuated and capacitive detected MEMS. The micro-mechanical system to be analyzed is restricted to an acceleration sensor. A mathematical model is presented for the plant starting from a spring-mass-damping system. New identification methods of linear and nonlinear nature allow the identification of the underlying mechanical system out of the electrostatic one. This saves the use of optical measurement, which reduces the costs enormously. Besides, the methods identify the electrical signal way, which is used for the feedback control. The optimal controller is based on the known methods of H-infinity and H-2 minimization. The model structure also allows one to impose model uncertainties and demanded dynamics on the optimization. The stability is only guaranteed in a narrow band close to the working point because of the nonlinear behavior of the resulting system. Investigations for a wider displacement are done with a proper energy-like function and numerical analysis. Noise sources of the system are estimated and the sensitivity of the complete system is analyzed. Design criteria are given to rise the sensitivity. The focus of this paper is the complete analysis and synthesis of an electrostatic actuated and detected accelerometer. The results from simulations and practical tests confirm the developed theory and the power of the design.

Reaction-diffusion models have been widely successful in explaining a large variety of patterning phenomena in biology ranging from embryonic development to cancer growth and angiogenesis. Firstly proposed by Alan Turing in 1952 and applied to a simple two-component system, reaction-diffusion models describe spontaneous spatial pattern formation, driven purely by interactions of the system components and their diffusion in space. Today, access to unprecedented amounts of quantitative biological data allows us to build and test biochemically accurate reaction-diffusion models of intracellular processes. However, any increase in model complexity increases the number of unknown parameters and thus the computational cost of model analysis. To efficiently characterize the behavior and robustness of models with many unknown parameters is, therefore, a key challenge in systems biology. Here, we propose a novel computational framework for efficient high-dimensional parameter space characterization of reaction-diffusion models. The method leverages the $L_p$-Adaptation algorithm, an adaptive-proposal statistical method for approximate high-dimensional design centering and robustness estimation. Our approach is based on an oracle function, which describes for each point in parameter space whether the corresponding model fulfills given specifications. We propose specific oracles to estimate four parameter-space characteristics: bistability, instability, capability of spontaneous pattern formation, and capability of pattern maintenance. We benchmark the method and demonstrate that it allows exploring the ability of a model to undergo pattern-forming instabilities and to quantify model robustness for model selection in polynomial time with dimensionality. We present an application of the framework to reconstituted membrane domains bearing the small GTPase Rab5 and propose molecular mechanisms that potentially drive pattern formation.

Diese numerische Arbeit untersucht, wie sich die laminar-turbulente Transition in der Grenzschicht einer ebenen Platte mit elektromagnetischen Kräften verzögern lässt. Erzeugt von einer Elektroden-Magnet-Anordnung in der Platte wirken jene Kräfte im wandnahen Bereich der Strömung. Sie sind wandparallel sowie stromab gerichtet und besitzen zwei Parameter, die Amplitude und die Eindringtiefe. Zwei- und dreidimensionale Direkte Numerische Simulationen, Grenzschichtgleichungslöser sowie lineare Stabilitätsanalyse werden eingesetzt, um zwei Ansätze der Transitionsverzögerung zu verfolgen: Zum einen die aktive Wellenauslöschung, bei der ankommende Grenzschichtinstabilitäten von gegenphasig angeregten Wellen bis zu 97% ausgelöscht werden. Zum anderen können elektromagnetische Kräfte die Grenzschicht beschleunigen und so zu deutlich stabilieren Grenzschichtprofilen führen. Über evolutionäre Optimierung wurde eine räumliche Verteilung von Eindringtiefe und Kraftamplitude gefunden, die den Energieeinsatz minimiert und gleichzeitig laminare Strömung sicherstellt; dennoch bliebt die energetische Effizienz der Beeinflussung unter Eins. / This numerical work investigates how electromagnetic forces may delay laminar-turbulent transition of a flat plate boundary layer. Generated by an array of electrodes and magnets flush mounted in the wall, those forces act within the wall-near flow. They are oriented in wall-parallel, downstream direction and are characterized by two parameters, namely amplitude and penetration depth. Two- and three-dimensional Direct Numerical Simulations, numerical solutions of boundary layer equations and linear stability analysis are applied to study two possible ways of transition delay: first, the so-called active wave cancellation, where an anti-wave cancels incoming boundary layer instabilities by up to 97%. A second option is have electromagnetic forces accelerate the boundary layer, thereby modifying its mean velocity profile for greatly enhanced stability. Using evolutionary optimization, a spatial distribution of force amplitude and penetration depth was obtained that maintains laminar flow while minimizing electrical power consumption of the actuator. However, the energetic efficiency of actuation remains less than unity.

Diese numerische Arbeit untersucht, wie sich die laminar-turbulente Transition in der Grenzschicht einer ebenen Platte mit elektromagnetischen Kräften verzögern lässt. Erzeugt von einer Elektroden-Magnet-Anordnung in der Platte wirken jene Kräfte im wandnahen Bereich der Strömung. Sie sind wandparallel sowie stromab gerichtet und besitzen zwei Parameter, die Amplitude und die Eindringtiefe. Zwei- und dreidimensionale Direkte Numerische Simulationen, Grenzschichtgleichungslöser sowie lineare Stabilitätsanalyse werden eingesetzt, um zwei Ansätze der Transitionsverzögerung zu verfolgen: Zum einen die aktive Wellenauslöschung, bei der ankommende Grenzschichtinstabilitäten von gegenphasig angeregten Wellen bis zu 97% ausgelöscht werden. Zum anderen können elektromagnetische Kräfte die Grenzschicht beschleunigen und so zu deutlich stabilieren Grenzschichtprofilen führen. Über evolutionäre Optimierung wurde eine räumliche Verteilung von Eindringtiefe und Kraftamplitude gefunden, die den Energieeinsatz minimiert und gleichzeitig laminare Strömung sicherstellt; dennoch bliebt die energetische Effizienz der Beeinflussung unter Eins. / This numerical work investigates how electromagnetic forces may delay laminar-turbulent transition of a flat plate boundary layer. Generated by an array of electrodes and magnets flush mounted in the wall, those forces act within the wall-near flow. They are oriented in wall-parallel, downstream direction and are characterized by two parameters, namely amplitude and penetration depth. Two- and three-dimensional Direct Numerical Simulations, numerical solutions of boundary layer equations and linear stability analysis are applied to study two possible ways of transition delay: first, the so-called active wave cancellation, where an anti-wave cancels incoming boundary layer instabilities by up to 97%. A second option is have electromagnetic forces accelerate the boundary layer, thereby modifying its mean velocity profile for greatly enhanced stability. Using evolutionary optimization, a spatial distribution of force amplitude and penetration depth was obtained that maintains laminar flow while minimizing electrical power consumption of the actuator. However, the energetic efficiency of actuation remains less than unity.

Diese Arbeit stützt sich auf die theoretische und experimentelle Untersuchung der Thermodiffusion im Magnetfeld. Bei magnetischen Flüssigkeiten als kolloidalen Suspensionen versteht man unter der Thermodiffusion einen durch einen Temperaturgradienten angestoßenen unidirektionalen Partikeltransport, der zur Separation des Fluids führt. Beschrieben wird die Thermodiffusion theoretisch über das Konzentrationsprofil der Partikel in Abhängigkeit von Zeit und Ort in einer Fluidschicht. Die Experimente detektieren die Separation des Fluids über die Konzentrationsdifferenz zwischen zwei Fluidkammern. Die Bestimmung des Soret-Koeffizienten erfolgt über einen Datenfit zwischen experimentellen und theoretischen Daten. Für das kerosinbasierte Ferrofluid EMG905 wurden zwei Effekte festgestellt. Bei kleinen Magnetfeldstärken wandern die Partikel zum kalten Rand der Schicht (ST>0), bei steigenden Feldstärken kehrt sich diese Richtung um (ST<0). Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Thermodiffusion gehen dann in eine lineare Stabilitätsanalyse einer Ferrofluidschicht bei anliegendem Temperaturgradienten und Magnetfeld ein. Dabei wird festgestellt, dass die kritische Rayleigh-Zahl als charakteristische Größe zum Einsetzen von Konvektion von dem Soret-Koeffizienten abhängt. Ist letzterer positiv, wird das Einsetzen von Konvektion begünstigt, ist er wiederum negativ, so kann Konvektion vollständig unterdrückt werden.

The aim of this thesis is to investigate the dynamical behaviors of spatially extended systems with fluctuating time delays. In recent years, the study of spatially extended systems and systems with fluctuating delays has experienced a fast growth. In ubiquitous natural and laboratory situations, understanding the action of time-delayed signals is a crucial for understanding the dynamical behavior of these systems. Frequently, the length of the delay is found to change with time. Spatially extended systems are widely studied in many fields, such as chemistry, ecology, and biology. Self-organization, turbulence, and related nonlinear dynamic phenomena in spatially extended systems have developed into one of the most exciting topics in modern science. The first part of this thesis considers the discrete system. Diffusively coupled map lattices with a fluctuating delay are used in the study. The uncoupled local dynamics of the considered system are represented by the delayed logistic map. In particular, the influences of diffusive coupling and fluctuating delay are studied. To observe and understand the influences, the results for the considered system are compared with coupled map lattices without delay and with a constant delay as well as with the uncoupled logistic map with fluctuating delays. Identifying different patterns, determining the existence of traveling wave solutions, and specifying the fully synchronized stable state are the focus of this part of the study. The Lyapunov exponent, the master stability function, spectrum analysis, and the structure factor are used to characterize the different states and the transitions between them. The second part examines the continuous system. The delay is introduced into the reactionterm of the Fisher-KPP equation. The focus of this part of study is the time-delay-induced Turing instability in one-component reaction-diffusion systems. Turing instability has previously only been found in multiple-component reaction-diffusion systems. However, this work demonstrates with the help of the stability exponent that fluctuating delay can result in Turing instability in one-component reaction-diffusion systems as well. / Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Einflüsse der zeitlich fluktuierenden Verzögerungen in räumlich ausgedehnten diffusiven Systemen. Durch den Vergleich von Systemen mit konstanter Verzögerung bzw. Systemen ohne räumliche Kopplung erhält man ein tieferes Verständnis und eine bessere Beschreibungsweise der Dynamik des räumlich ausgedehnten diffusiven Systems mit fluktuierenden Verzögerungen. Im ersten Teil werden diskrete Systeme in Form von diffusiven Coupled Map Lattices untersucht. Als die lokale iterierte Abbildung des betrachteten Systems wird die logistische Abbildung mit Verzögerung gewählt. In diesem Teil liegt der Fokus auf Musterbildung, Existenz von Multiattraktoren und laufenden Wellen sowie der Möglichkeit der vollen Synchronisation. Masterstabilitätsfunktion, Lyapunov Exponent und Spektrumsanalyse werden benutzt, um das dynamische Verhalten zu verstehen. Im zweiten Teil betrachten wir kontinuierliche Systeme. Hier wird die Fisher-KPP Gleichung mit Verzögerungen im Reaktionsteil untersucht. In diesem Teil liegt der Fokus auf der Existenz der Turing Instabilität. Mit Hilfe von analytischen und numerischen Berechnungen wird gezeigt, dass bei fluktuierenden Verzögerungen eine Turing Instabilität auch in 1-Komponenten-Reaktions-Diffusionsgleichungen gefunden werden kann

Diese Arbeit stützt sich auf die theoretische und experimentelle Untersuchung der Thermodiffusion im Magnetfeld. Bei magnetischen Flüssigkeiten als kolloidalen Suspensionen versteht man unter der Thermodiffusion einen durch einen Temperaturgradienten angestoßenen unidirektionalen Partikeltransport, der zur Separation des Fluids führt. Beschrieben wird die Thermodiffusion theoretisch über das Konzentrationsprofil der Partikel in Abhängigkeit von Zeit und Ort in einer Fluidschicht. Die Experimente detektieren die Separation des Fluids über die Konzentrationsdifferenz zwischen zwei Fluidkammern. Die Bestimmung des Soret-Koeffizienten erfolgt über einen Datenfit zwischen experimentellen und theoretischen Daten. Für das kerosinbasierte Ferrofluid EMG905 wurden zwei Effekte festgestellt. Bei kleinen Magnetfeldstärken wandern die Partikel zum kalten Rand der Schicht (ST>0), bei steigenden Feldstärken kehrt sich diese Richtung um (ST<0). Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Thermodiffusion gehen dann in eine lineare Stabilitätsanalyse einer Ferrofluidschicht bei anliegendem Temperaturgradienten und Magnetfeld ein. Dabei wird festgestellt, dass die kritische Rayleigh-Zahl als charakteristische Größe zum Einsetzen von Konvektion von dem Soret-Koeffizienten abhängt. Ist letzterer positiv, wird das Einsetzen von Konvektion begünstigt, ist er wiederum negativ, so kann Konvektion vollständig unterdrückt werden.