Submitted in fulfillment of the requirements for the Master of Information and Communications Technology, Durban University of Technology, Durban, South Africa, 2017. / The future of modern cities largely depends on how well they can tackle intrinsic problems that confront them by embracing the next era of digital revolution. A vital element of such revolution is the creation of smart cities and associated technology infrastructures. Smart city is an emerging phenomenon that involves the deployment of information communication technology wares into public or private infrastructure to provide intelligent data gathering and analysis. Key areas that have been considered for smart city initiatives include monitoring of weather, energy consumption, environmental conditions, water usage and host of others. To align with the smart city revolution in the area of environmental cleanliness, this study involves the development of a web based smart city infrastructure for refuse disposal management using the design science research approach. The Jalali smart city reference architecture provided a template to develop the proposed architecture in this study. The proposed architecture contains four layers, which are signal sensing and processing, network, intelligent user application and Internet of Things (IoT) web application layers. A proof of concept prototype was designed and implemented based on the proposed architecture. The signal sensing and processing layer was implemented to produce a smart refuse bin, which is a bin that contains the Arduino microcontroller board, Wi-Fi transceiver, proximity sensor, gas sensor, temperature sensor and other relevant electronic components. The network layer provides interconnectivity among the layers via the internet. The intelligent user application layer was realized with non browser client application, statistical feature extraction and pattern classifiers. Whereas the IoT web application layer was realised with ThingSpeak, which is an online web application for IoT based projects. The sensors in the smart refuse bin, generates multivariate dataset that corresponds to the status of refuse in the bin. Training and testing features were extracted from the dataset using first order statistical feature extraction method. Afterward, Multilayer Perceptron Artificial Neural Network (MLP-ANN) and support vector machine were trained and compared experimentally. The MLP-ANN gave the overall best accuracy of 98.0%, and the least mean square error of 0.0036. The ThingSpeak web application connects seamlessly at all times via the internet to receive data from the smart refuse bin. Refuse disposal management agents can therefore query ThingSpeak for refuse status data via the non browser client application. The client application, then uses the trained MLP-ANN to appositely classify such data in order to determine the status of the bin. / M

Le domaine des matériaux intelligents et des structures adaptatives constitue un domaine de recherche consacré à la conception de structures architecturées ayant la faculté de modifier leur comportement en réponse à un stimulus externe. Le travail proposé dans cette thèse porte sur l’analyse et la conception d’un système pour le contrôle vibroacoustique adaptatif. Il s’attache à la conception d’une interface active faite de transducteurs piézo-électriques disposés en réseau bidimensionnel. Chaque transducteur est shunté individuellement par un circuit électronique externe synthétisant une capacité négative. Cette stratégie de contrôle se base sur le couplage multipysique entre la plaque et les circuit électroniques mis en communication et permet de contrôler les ondes se propageant au sein de la structure. Le dispositif ainsi créé est qualifié de métacomposite. La performance du metacomposite a été évaluée par le biais de nombreux essais numériques et expérimentales. Du point de vue modélisation, l’analyse a été réalisée à l’aide du théorème de Bloch adapté aux systèmes piézo-élastiques à deux dimensions. Par la suite, une procédure d’optimisation a été utilisée dans le but de sélectionner les paramètres de shunt électrique les plus appropriés.Un prototype du guide d’ondes a été fabriqué et testé. Les résultats montrent clairement que ce dispositif permet de modifier les propriétés vibratoires de la structure porteuse, que ce soit en terme d’atténuation ou de trasmission. Enfin, un modèle éléments finis de la plaque a été utiliser afin d’évaluer la robustesse de la stratégie de contrôle proposée vis-à-vis d’une modification des paramètres du circuit, de la topologie del’interface active ou des propriétés de la plaque contrôlée. / Smart materials is an active research area devoted to the design of structured materials showingphysical properties that can be modified in response to an external stimulus.This study focuses on the analysis and design of adaptive system for vibroacoustic control. Theresearch investigates the design of a active interface made of piezoelectric transducers arranged ina two-dimensional lattice. Each transducer is individually shunted to an external electric circuitsynthesizing a negative capacitance effect. It allows to control waves propagating inside a structuretaking advantage of the multi-field coupling between the structural plate and the electrical circuitsshunting the piezoelectric patches.The performance of the metacomposite has been evaluated through numerous numerical andexperimental tests. The smart wave-guide has been analyzed by using the Bloch theorem appliedto two-dimensional piezo-elastic systems. Subsequently an optimization procedure has been usedwith the purpose to select the most appropriate set of circuit’s parameters.A prototype of the smart waveguide has been manufactured and tested. The results results clearlyshow the filtering and attenuating capabilities of this device.Finally a finite element model of the finite extent smart plate has been considered in order toasses the robustness of the proposed control strategy respect to a modification of the circuit’sparameters, the topology of the active interface and the properties of the controlled plate.A brief review conclude the work delineating which aspects of the design should be modified inorder to obtain a device suitable for industrial applications.

This diploma thesis deals with the feasibility of using PVDF nanofibers as an active sensor layer generating electrical signal. PVDF and related electromechanical effects are described. A research study is conducted regarding existing PVDF nanofiber applications and based on it, an event sensor design utilizing triboelectric effect and electrostatic induction is proposed. The electrical response of the layers is experimentally investigated and a pulse detection algorithm is conceived and implemented. Finally, a way of integrating the sensor into a rail track is proposed.

No description available.

No description available.

No description available.

Im Zusammenhang mit auf Reize reagierenden Materialien ist Licht aufgrund seiner hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung von besonderer Bedeutung. Hierfür können molekulare Photoschalter, wie z.B. Azobenzole, in das Material eingebaut werden, um eine Reaktion auf Lichteinstrahlung von der molekularen auf die makroskopische Ebene zu übertragen. Fortschrittliche Moleküldesigns, wie z.B. Ortho-Fluorierung, führen dabei zu hervorragenden bistabilen Photoschaltern, die in Kombination mit Cyclodextrinen (CDs) als supramolekulare Bausteine eine Vielfalt an lichtempfindlichen Materialien ermöglichen. Um ein grundlegendes Verständnis der Wechselwirkungen von ortho-Fluorazobenzolen (FAzos) mit CDs zu erlangen, wurde in Kapitel II deren supramolekulare Wirt-Gast-Komplexierung untersucht. Hierbei konnte eine veränderte Barriere des Auffädelns der CDs beobachtet werden. Durch detaillierte Untersuchungen an polymeren Modellverbindungen in Kapitel III konnte gezeigt werden, dass das Auffädeln über die Z- im Vergleich zu den E-Isomeren der FAzos deutlich reduziert ist und dadurch die Bildung von Pseudo-Polyrotaxanen durch Bestrahlung mit Licht kontrolliert werden kann. Durch speziell konzipierte DOSY-Experimente konnte die Abfädelungskinetik aus Polyrotaxanen, bei denen die CDs durch das Z-Azobenzol auf der Achse fixiert wurden, verfolgt werden. Somit konnte gezeigt werden, dass eine Kontrolle der Bewegung von CDs durch Licht möglich ist. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden in Kapitel IV neuartige lichtempfindliche Slide-Ring Materialien entwickelt, die bei Lichteinstrahlung eine reversible Änderung ihrer Steifigkeit aufweisen. Die Materialien wurden so konzipiert, dass sie ortho-Fluorazobenzole enthalten, die als durch Licht schaltbare Barrieren für das Gleiten von CDs entlang des Polymerrückgrats dienen. Hierdurch konnte eine reversible Änderung des Elastizitätsmoduls durch Bestrahlung mit Licht erzielt werden und somit ein erfolgreicher Konzeptnachweis erbracht werden. / In the context of stimuli-responsive materials, light is of particular importance due to its high spatial and temporal resolution. For this purpose, molecular photoswitches, such as azobenzenes, can be incorporated into the material to transfer a response to light irradiation from the molecular to the macroscopic level. Advanced molecular designs, such as ortho-fluorination, lead to excellent bistable photoswitches which, in combination with cyclodextrins (CDs) as supramolecular building blocks, enable a variety of light-responsive materials. To gain a fundamental understanding of the interactions of ortho-fluoroazobenzenes (FAzos) with CDs, their supramolecular host-guest complexation was investigated in Chapter II. An altered barrier for the threading of CDs was thereby observed. Detailed studies on polymeric model compounds in Chapter III showed that threading over the Z-isomers of the FAzos is significantly reduced compared to the E-isomers and that the formation of pseudo-polyrotaxanes can thus be controlled by irradiation with light. Using specially designed DOSY experiments, the threading kinetics from polyrotaxanes, in which the CDs where fixed on the axis by the Z-azobenzene, could be followed. This showed that it is possible to control the movement of CDs by light. Based on these results, novel photoresponsive slide-ring materials were developed in Chapter IV, which exhibit a reversible change in stiffness when exposed to light. The materials were designed to contain ortho-fluoroazobenzenes, which serve as photoswitchable barriers for the sliding of CDs along the polymer backbone. This enabled a reversible change of the elastic modulus to be accomplished by irradiation with light, thus providing a successful proof of concept.

Photoschalter sind Moleküle, die eine reversible lichtgesteuerte Umwandlung zwischen zwei Zuständen mit unterschiedlichen Eigenschaften durchlaufen. In den letzten zehn Jahren hat der Einbau dieser photochromen Moleküle in intelligente, auf Stimuli ansprechende Materialien zunehmende Aufmerksamkeit erregt, da sie die einzigartige Fähigkeit bieten, makroskopische Eigenschaften mit einem externen optischen Stimulus reversibel zu verstärken und zu verändern. Die begrenzte Leistung von Photoschaltern in festen Medien bleibt eine Herausforderung. In diesem Zusammenhang werden in dieser Arbeit zwei wichtige Aspekte näher untersucht. Erstens der Prozess der Entwicklung neuer Photoschalter mit maßgeschneiderten Eigenschaften und zweitens die Implementierung von Photoschaltern in feste Materialien und die damit verbundenen Herausforderungen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde Dynamisch-kovalente Chemie (DCC) verwendet, um die Entdeckung und Entwicklung einer neuartigen Klasse von Photoschaltern mit drei Zuständen zu beschleunigen. Die dynamische Natur der zentralen Doppelbindung von α-Cyanodiarylethenen wurde genutzt, um ein thermodynamisches Gleichgewicht mit anderen Arylacetonitrilen herzustellen. Die entwickelte Methode kombiniert eine schnelle Diversifizierung mit einer Rasterung auf spezifische Eigenschaften, die durch einen externen Stimulus aufgedeckt werden, und ermöglicht die effiziente Untersuchung der Beziehung zwischen Struktur und den zugehörigen Eigenschaften. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Entwicklung und die Synthese eines Zweikomponenten-Kern-Schale-MOFs mit einem internen nicht-funktionalisierten Kompartiment, das von einer dünnen photoschaltbaren Außenschale bedeckt ist, vorgestellt. Diese Strategie ermöglicht ein effizientes Schalten des Chromophors und die resultierende dünne „intelligente“ Schale fungiert als modulare kinetische Barriere für die molekulare Gastdiffusion in das Material, die durch Licht gesteuert werden kann. / Photoswitches are molecules that undergo a reversible light-triggered conversion between two states with different properties. In the past decade, the incorporation of these photochromic molecules in smart stimuli-responsive materials has gained increased attention as it offers the unique ability to reversibly amplify and change macroscopic properties with an external optical stimulus. The limited performance of photoswitches in solid mediums remains a challenge. In this context two important aspects are studied in more detail in this thesis. First, the process of developing new photoswitches with tailored properties and second, the implementation of photoswitches in solid materials and the challenges associated with it. In the first part of this thesis dynamic covalent chemistry (DCC) was used to accelerate the discovery and development of a novel three-state photoswitch class. The dynamic nature of the central double bond of α-cyanodiarylethenes was exploited to establish a thermodynamic equilibrium with other arylacetonitriles. The developed DCC tool combines fast and efficient diversification with screening for specific photochemical properties revealed by an external stimulus, enabling the rapid study of the relationship between structure and the associated properties. The second part of this thesis summarizes the design and synthesis of a two-component core-shell MOF with an internal non-functionalized compartment covered by a thin photoswitchable outer shell. This strategy allows efficient switching of the chromophore and the resulting thin “smart” shell acts as a modular kinetic barrier for molecular guest diffusion into the material that can be controlled by light.

No description available.

No description available.