In vielen industriellen Anwendungen kooperieren mobile Maschinen, um ein gemeinsames Prozessziel zu erreichen. Durch den Transfer von Technologien und Verfahren aus der Robotik agieren einzelne mobile Maschinen in vielen Bereichen bereits (teil)autonom. Der nächste Schritt der Automatisierung erfordert die Koordination von robotischen Systemen zur Erreichung bestimmter gemeinsamer Prozessziele. Um die Kooperation von roboterisierten mobilen Maschinen oder von mobilen Robotern allgemein zu ermöglichen, müssen ihre Pläne raumzeitlich aufeinander abgestimmt werden. In dieser Arbeit wird ein Planungssystem für ein kooperatives Ernteszenario aus dem Anwendungsbereich der Infield-Transportlogistik vorgestellt. In dem Szenario agieren ein Mähdrescher und ein Transportfahrzeug kooperativ, um den Ernte- und Transportprozess effizient ausführen zu können. Ein maschinenübergreifender Planungsschritt optimiert die Logistik des Gesamtprozesses. Ein weiterer, maschinenspezifischer Planungsschritt generiert aus dem gemeinsamen Prozessplan aller Fahrzeuge einen ausführbaren Teilplan für jedes einzelne Feldfahrzeug. Die Pläne werden aufgrund der Online-Problematik des Ernteszenarios während der Prozessausführung bei Bedarf dynamisch neu berechnet. Diese Arbeit zeigt die Umsetzbarkeit raumzeitlicher Planungssysteme für kooperative mobile Roboter in realen Anwendungsszenarien.

Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der Anwendbarkeit stochastisch-deterministischer Modelle für die räumliche und zeitliche Vorhersage der Ozonkonzentrationen in Sachsen. Zu diesem Zweck werden die Messwerte des sächsischen Landesmessnetzes von 1995 bis 1999 einer eingehenden statistischen Analyse (deskriptive Analyse, geostatistische Analyse, Zeitreihenanalyse) unterzogen. Bei diesen Analysen werden Repräsentativitätsunterschiede der einzelnen Stationen (städtisch/ländlich) deutlich, die bei Verwendung aller Daten zu einem sehr hohen Nuggeteffekt führen. Um ein realistischeres Bild des Nuggeteffektes zu erhalten, wurde die jeweils am stärksten verkehrsbeeinflusste Station in derselben Stadt aus der Variogrammberechnung ausgeschlossen. Durch die Forschungsarbeit wird gezeigt, dass die Ozonwerte auch nach der Eliminierung räumlicher und zeitlicher Trends eine ausreichende räumliche Autokorrelation besitzen. Schließlich werden geostatistische und zeitreihenanalytische Modelle für die räumliche und zeitliche Vorhersage der sächsischen Ozondaten entwickelt und ihre Genauigkeit überprüft.

Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der Anwendbarkeit stochastisch-deterministischer Modelle für die räumliche und zeitliche Vorhersage der Ozonkonzentrationen in Sachsen. Zu diesem Zweck werden die Messwerte des sächsischen Landesmessnetzes von 1995 bis 1999 einer eingehenden statistischen Analyse (deskriptive Analyse, geostatistische Analyse, Zeitreihenanalyse) unterzogen. Bei diesen Analysen werden Repräsentativitätsunterschiede der einzelnen Stationen (städtisch/ländlich) deutlich, die bei Verwendung aller Daten zu einem sehr hohen Nuggeteffekt führen. Um ein realistischeres Bild des Nuggeteffektes zu erhalten, wurde die jeweils am stärksten verkehrsbeeinflusste Station in derselben Stadt aus der Variogrammberechnung ausgeschlossen. Durch die Forschungsarbeit wird gezeigt, dass die Ozonwerte auch nach der Eliminierung räumlicher und zeitlicher Trends eine ausreichende räumliche Autokorrelation besitzen. Schließlich werden geostatistische und zeitreihenanalytische Modelle für die räumliche und zeitliche Vorhersage der sächsischen Ozondaten entwickelt und ihre Genauigkeit überprüft.

Zellen benutzen Signalwege ein, um auf Änderungen in ihrer unmittelbaren Umgebung zu reagieren. Der Signalweg des transformierenden Wachstumsfaktors β (TGFβ) spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung vieler zellulärer Prozesse, einschließlich Zellproliferation, Differenzierung und Migration. Obwohl die Hauptkomponenten der TGFβ-Signalgebung in den letzten Jahrzehnten identifiziert und erforscht wurden, ist das Verständnis ihres dynamischen Verhaltens durch das Fehlen von Methoden eingeschränkt, die die Steuerung der TGFβ-Signalgebung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglichen. In dieser Arbeit wurde ein optogenetisches System (das optoTGFβ-System) entwickelt, bei dem Licht dazu verwendet wird, die TGFβ-Signalgebung zeitlich und räumlich präzise zu steuern. Erstens wurde die Funktionalität des optoTGFβ-Systems durch Vergleich mit dem endogenen TGFβ-Signalsystem überprüft. Zweitens wurde durch das gleichzeitige Überwachen der subzellulären Translokation der Rezeptoren und der Smad-Proteine mittels „Live Cell Imaging“ gezeigt, dass die TGFβ-Signalgebung durch Modulation der Lichtstimulationen in einzelnen Zellen spezifisch aktiviert werden kann. Drittens wurde in Kombination mit der mathematischen Modellierung die Dynamik der TGFβ-Signalgebung im optoTGFβ-System quantitativ bestimmt. Die räumliche und zeitliche Präzision der optischen Kontrolle machen das optoTGFβ-System zu einem neuartigen und leistungsfähigen Methode für die quantitative Analyse und Manipulation von TGFβ-Signalen auf Einzelzellebene. / Cells employ signaling pathways to make decisions in response to changes in their immediate environment. Transforming Growth Factor β (TGFβ) signaling pathway plays pivotal roles in regulating many cellular processes, including cell proliferation, differentiation and migrations. Although the principal components of TGFβ signaling have been identified and explored in recent decades, understanding its dynamic behavior is limited by the lack of tools that allow the control of TGFβ signaling at high spatiotemporal resolution. In this thesis, we developed an optogenetic system (the optoTGFβ system), in which light is used to control TGFβ signaling precisely in time and space. First, we validated the functionality of the optoTGFβ system by comparing it with the endogenous TGFβ signaling system. Second, by simultaneously monitoring the subcellular translocation of the receptors and Smad proteins using live cell imaging, we showed that TGFβ signaling can be specifically activated in single cells through modulating the light stimulations. Third, in combination with mathematical modeling, we quantitatively characterized the dynamics of TGFβ signaling in the optoTGFβ system. The spatial and temporal precision of optical control makes the optoTGFβ system a novel and powerful tool for quantitative analyses and manipulation of TGFβ signaling at the single cell level.

Breitstreifenlaser haben eine breite Emissionsapertur, die es ermöglicht eine hohe Ausgangsleistung zu erreichen. Gleichzeitig führt sie jedoch zu einer Verringerung der lateralen Strahlqualität und zu ihrem nicht-stationären Verhalten. Forschung in diesem Gebiet ist anwendungsgetrieben und somit ist das Hauptziel eine Erhöhung der Brillanz, die sowohl die Ausgangsleistung als auch die laterale Strahlqualität beinhaltet. Um die zugrunde liegenden raumzeitlichen Phänomene zu verstehen und dieses Wissen zu nutzen, um die Kosten der Brillanz-Optimierung zu minimieren, ist ein selbst-konsistentes Simulationstool notwendig, welches die wichtigsten Prozesse beinhaltet. Zunächst wird in dieser Arbeit ein quasi-dreidimensionales elektro-optisch-thermisches Model präsentiert, welches wesentliche qualitative Eigenschaften von realen Bauteilen gut beschreibt. Zeitabhängige Wanderwellen-Gleichungen werden genutzt, um die inhärent nicht-stationären optischen Felder zu beschreiben, welche an eine Ratengleichung für die Überschussladungsträger in der aktiven Zone gekoppelt sind. Das Model wird in dieser Arbeit um eine Injektionsstromdichte erweitert, die laterale Stromspreizung und räumliches Lochbrennen korrekt beschreibt. Des Weiteren wird ein Temperaturmodel präsentiert, das kurzzeitige lokale Aufheizungen in der Nähe der aktiven Zone und die Formierung einer stationären Temperaturverteilung beinhalten. Im zweiten Teil wird das beschriebene Modell genutzt, um die Gründe von Brillanz-Degradierung, das heißt sowohl die Ursprünge der Leistungssättigung als auch des nicht diffraktionslimitierten Fernfeldes zu untersuchen. Abschließend werden im letzten Teil Laserentwürfe besprochen, welche die laterale Brillanz verbessern. Hierzu gehört ein neuartiges “Schachbrettlaser” Design, bei dem longitudinal-laterale Gewinn-Verlust-Modulation mit zusätzlicher Phasenanpassung ausgenutzt wird, um eine sehr geringe Fernfeld-Divergenz zu erhalten. / Broad-area lasers are edge-emitting semiconductor lasers with a wide lateral emission aperture that enables high output powers, but also diminishes the lateral beam quality and results in their inherently non-stationary behavior. Research in the area is driven by application and the main objective is to increase the brightness which includes both the output power and lateral beam quality. To understand the underlying spatio-temporal phenomena and to apply this knowledge in order to reduce costs for brightness optimization, a self-consistent simulation tool taking into account all essential processes is vital. Firstly, in this work a quasi-three-dimensional opto-electronic and thermal model is presented, that describes well essential qualitative characteristics of real devices. Time-dependent traveling-wave equations are utilized to describe the inherently non-stationary optical fields, which are coupled to dynamic rate equations for the excess carriers in the active region. This model is extended by an injection current density model to accurately include lateral current spreading and spatial hole burning. Furthermore a temperature model is presented that includes short-time local heating near the active region as well as the formation of a stationary temperature profile. Secondly, the reasons of brightness degradation, i.e. the origins of power saturation and the spatially modulated field profile are investigated and lastly, designs that mitigate those effects that limit the lateral brightness under pulsed and continuous-wave operation are discussed. Amongst those designs a novel “chessboard laser” is presented that utilizes longitudinal-lateral gain-loss modulation and an additional phase tailoring to obtain a very low far-field divergence.