The centrosome is a dynamic organelle found in all animal cells that serves as a microtubule organizing center during cell division. Most of the centrosome components have been identified by genetic screens over the last decade, but little is known about how these components interact with each other to form a functional centrosome. Towards a better understanding of the molecular organization of the centrosome, we investigated the mechanism that regulates the size of the centrosome in the early C. elegans embryo. For this, we monitored fluorescently labeled centrosomes in living embryos and developed a suite of image analysis algorithms to quantify the centrosomes in the resulting 3D time-lapse images. In particular, we developed a novel algorithm involving a two-stage linking process for tracking entrosomes, which is a multi-object tracking task. This fully automated analysis pipeline enabled us to acquire time-resolved data of centrosome growth in a large number of embryos and could detect subtle phenotypes that were missed by previous assays based on manual image analysis. In a first set of experiments, we quantified centrosome size over development in wild-type embryos and made three essential observations. First, centrosome volume scales proportionately with cell volume. Second, beginning at the 4-cell stage, when cells are small, centrosome size plateaus during the cell cycle. Third, the total centrosome volume the embryo gives rise to in any one cell stage is approximately constant. Based on our observations, we propose a ‘limiting component’ model in which centrosome size is limited by the amounts of maternally derived centrosome components. In a second set of experiments, we tested our hypothesis by varying cell size, centrosome number and microtubule-mediated pulling forces. We then manipulated the amounts of several centrosomal proteins and found that the conserved centriolar and pericentriolar material protein SPD-2 is one such component that determines centrosome size.

In dieser Arbeit werden die Methoden zur Modellierung, Identifikation, Regelung und Reibungskompensation von DLR-Medizinrobotern mit elastischen und differentiell getriebenen Gelenken vorgestellt. In der Praxis zeigt sich, dass bei den DLR-Medizinrobotern sowohl die Gelenkelastizität als auch die Gelenkverkopplung innerhalb des Doppelgelenks in der Modellierung und Regelung berücksichtigt werden muss. Daher ist es das Hauptziel dieser Arbeit, eine Regelungsstruktur zu entwickeln, die das gewünschte Folge- und Einschwingverhalten erreicht. Zur Regelung wird mit Hilfe der modalen Entkopplung ein MIMO – Zustandsregler für die Doppelgelenkstruktur eingeführt, der auf der Rückführung der antriebsseitigen Positionen und abtriebsseitigen Drehmomente sowie deren Ableitungen basiert. Für die medizinischen Anwendungen spielt die Positionsgenauigkeit, die durch die hohe Reibung stark beeinflusst wird, eine entscheidende Rolle. Um die Positioniergenauigkeit des Roboters zu verbessern, wird ein Reibungsbeobachter entwickelt, der eine passive Reibungskompensation ermöglicht. Da der Reibungsbeobachter nur den Momentenfehler, nicht aber den Positionsfehler integriert, wird diese Kompensation außer zur Positionsregelung auch zur Verbesserung der Qualität der Drehmoment- und Impedanzregelung eingesetzt. Für die gesamte Regelungsstruktur aus Zustandsregler und Reibungsbeobachter wird global asymptotische Stabilität des gesamten nichtlinearen Roboters nachgewiesen. Diese Regelungsstruktur wird derzeit in zahlreichen Anwendungen mit den DLR-Medizinrobotern benutzt und validiert.