Nowadays, the increasing requirements of portable, implantable, and wearable electronics have greatly stimulated the development of miniaturized energy storage devices (MESDs). Electrochemically active materials and microfabrication techniques are two indispensable parts in MESDs. Particularly, the architecture design of microelectrode arrays is beneficial to the accessibility of two-dimensional (2D) active materials. Therefore, this study reviews the recent advancements in microbatteries and microsupercapacitors based on electrochemically active 2D materials. Emerging microfabrication strategies enable the precise control over the thickness, homogeneity, structure, and dimension in miniaturized devices, which offer tremendous opportunities for achieving both high energy and power densities. Furthermore, smart functions and integrated systems are discussed in detail in light of the emergence of intelligent and interactive modes. Finally, future developments, opportunities, and urgent challenges related to 2D materials, device fabrications, smart responsive designs, and microdevice integrations are provided.

Neuro-computational models allow to study the brain mechanisms involved in intelligent behavior and extract essential computational principles which can be implemented in cognitive systems. They are a promising solution to achieve a brain-like artificial intelligence that can compete with natural intelligence on realistic behaviors. A crucial property of intelligent behavior is motivation, defined as the incentive to interact with the world in order to achieve specific goals, either extrinsic (obtaining rewards such as food or money, or avoiding pain) or intrinsic (satisfying one’s curiosity, fun). In the human brain, motivated or goal-directed behavior depends on a network of different structures, including the prefrontal cortex, the basal ganglia and the limbic system. Dopamine, a neurotransmitter associated with reward processing, plays a central role in coordinating the activity of this network. It structures processing in high-level cognitive areas along a limbic-associative-motor gradient and impacts the learning capabilities of the whole system. In this habilitation thesis, I present biologically-constrained neuro-computational models which investigate the role of dopamine in visual object categorization and memory retrieval (Vitay and Hamker, 2008), reinforcement learning and action selection (Vitay and Hamker, 2010), the updating, learning and maintenance of working memory (Schroll et al., 2012) and timing processes (Vitay and Hamker, 2014). These models outline the many mechanisms by which the dopaminergic system regulates cognitive and emotional behavior: bistable processing modes in the cerebral cortex, modulation of synaptic transmission and plasticity, allocation of cognitive resources and signaling of relevant events. Finally, I present a neural simulator able to simulate a variety of neuro-computational models efficiently on parallel architectures (Vitay et al., 2015). / Neuronale Modelle nach dem Vorbild des Gehirns bieten die Möglichkeit intelligente, kognitive Prozesse nicht nur besser zu verstehen, sondern sie stellen auch eine vielversprechende Lösung dar, um eine Gehirn-ähnliche künstliche Intelligenz für Wahrnehmung und Verhaltensweisen zu erreichen, die mit natürlicher Intelligenz konkurrieren kann. Eine entscheidende Eigenschaft von intelligentem Verhalten ist Motivation, definiert als der Anreiz mit der Welt zu interagieren, um bestimmte Ziele zu erreichen, sei es extrinsisch (Belohnungen wie Nahrung oder Geld zu erhalten oder die Vermeidung von Schmerzen) oder intrinsisch (die Neugier zu befriedigen, Spaß zu haben). Im menschlichen Gehirn basiert motiviertes oder zielgerichtetes Verhalten auf einem Netzwerk von verschiedenen Strukturen, einschließlich des präfrontalen Cortex, der Basalganglien und des limbischen Systems. Dopamin, ein Neurotransmitter, welcher der Belohnungsverarbeitung zugeordnet wird, spielt eine zentrale Rolle bei der Koordination der Aktivität in diesem Netzwerk. Es strukturiert die Verarbeitung in High-Level-kognitiven Bereichen entlang eines limbischen-assoziativ-motor Gradienten und beinflusst die Lernfähigkeit des gesamten Systems. In dieser Habilitation, präsentiere ich biologisch motivierte neuronale Modelle, die die Rolle von Dopamin in der visuellen Objektkategorisierung und Gedächtnisabruf (Vitay and Hamker, 2008), Reinforcement Lernen und Aktionsauswahl (Vitay and Hamker, 2010), Aktualisierung, Lernen und Aufrechterhaltung von Arbeitsgedächtnis (Schroll et al., 2012) und Timing Prozessen (Vitay and Hamker, 2014) untersuchen. Diese Modelle beschreiben Mechanismen, durch die das dopaminerge System kognitives und emotionales Verhalten reguliert: bistabile Verarbeitungsmodi in der Hirnrinde, Plastizität und Modulation der synaptischen Übertragung, Zuweisung von kognitiven Ressourcen und Signalisierung von relevanten Ereignissen. Schließlich beschreibe ich einen neuronalen Simulator, der in in der Lage ist, eine Vielzahl von neuronalen Modellen effizient auf parallelen Architekturen zu simulieren (Vitay et al., 2015).

Eine Verallgemeinerung der klassischen Resultate von Von Neumann und Birkhoff ist die Frage nach gewichteten Versionen ihrer Theoreme. Eine zentrale Antwort auf diese Fragestellung lieferte Jean Bourgain 1988 mit seinem Rückkehrzeitentheorem. Aufbauend auf dem Beweis von Bourgain, Furstenberg, Katznelson und Ornstein aus dem Jahr 1989 sowie dem Buch von Assani präsentieren wir einen ausführlichen und vollständigen Beweis und besprechen insbesondere den Fall von dynamischen Systemen mit rein atomarer invarianter sigma-Algebra. / In this diploma thesis we present a detailed proof of Bourgain's Return Times Theorem due to Bourgain, Furstenberg, Katznelson and Ornstein following their paper as well as the book by Assani. In particular, we discuss the case of systems with a purely atomic invariant sigma-algebra in all details.

Der vorliegende Beitrag gibt einen Überblick zu möglichen Anwendungsbereichen von Systemsimulation bei der Maschinenentwicklung und stellt einige Beispiele und Ergebnisse aus diesen Bereichen vor. Ausgehend von einfachen Grundmodellen zeigt dieser Beitrag, wie mithilfe von Systemsimulation einzelne Antriebsachsen als auch gesamte Anlagenmodelle generiert werden können. In diesem Zusammenhang können anwendungsspezifische Besonderheiten des jeweiligen Maschinentyps berücksichtigt werden. Dazu zählen die Wechselwirkungen zwischen Prozess und Maschinenverhalten sowie die Anzahl und Ausprägung, bspw. mechanisch oder elektromechanisch, der aktiven Antriebsachsen. Von der Antriebsauslegung über die virtuelle Inbetriebnahme bis hin zur Zustandsüberwachung im Betrieb werden die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten des Systemmodells betrachtet und zugehörige Entwicklungsaufgaben eingeordnet.

This thesis explores the execution of object-oriented code on an embedded Java platform. It presents established and derives new approaches for the implementation of high-level object-oriented functionality and commonly expected system services. The goal of the developed techniques is the provision of the architectural base for an efficient and predictable code execution. The research vehicle of this thesis is the Java-programmed SHAP platform. It consists of its platform tool chain and the highly-customizable SHAP bytecode processor. SHAP offers a fully operational embedded CLDC environment, in which the proposed techniques have been implemented, verified, and evaluated. Two strands are followed to achieve the goal of this thesis. First of all, the sequential execution of bytecode is optimized through a joint effort of an optimizing offline linker and an on-chip application loader. Additionally, SHAP pioneers a reference coloring mechanism, which enables a constant-time interface method dispatch that need not be backed a large sparse dispatch table. Secondly, this thesis explores the implementation of essential system services within designated concurrent hardware modules. This effort is necessary to decouple the computational progress of the user application from the interference induced by time-sharing software implementations of these services. The concrete contributions comprise a spill-free, on-chip stack; a predictable method cache; and a concurrent garbage collection. Each approached means is described and evaluated after the relevant state of the art has been reviewed. This review is not limited to preceding small embedded approaches but also includes techniques that have proven successful on larger-scale platforms. The other way around, the chances that these platforms may benefit from the techniques developed for SHAP are discussed.

Die Zukunft liegt bereits heute schon im Internet der Dinge, Daten, Dienste und Personen. Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) beeinflussen vermehrt die alltäglichen Abläufe, übernehmen im Ernstfall lebenserhaltende Körperfunktionen, unterstützen Arbeits- und Produktionsprozesse und halten Einzug in unsere Wohnbereiche. Dabei rückt der Gedanke einer anwendungsnahen und integrierten Sicht von Software zunehmend in den Vordergrund und verlangt deshalb interdisziplinäre Ansätze. Eine frühzeitige technische Abstimmung zwischen Soft- und Hardware sowie unterschiedlichen technischen Öko-Systemen wird dabei notwendiger und fordert Politik, Wissenschaft und Wirtschaft in gleichem Maße. Das Innovationsforum open4INNOVATION2012 am 9.Mai bot dazu Praktikern und Akademikern eine Plattform für den interdisziplinären und fachbereichsübergreifenden Austausch zu neuen und anwendungsnahen IKT-Ansätzen. Unter dem Motto regional kooperativ, global innovativ galt es dabei regional politische, wirtschaftliche und wissenschaftliche Kompetenzen zu bündeln, um globale Märkte erfolgreich zu bestreiten. In dem vorliegenden Tagungsband finden Sie die Beiträge des Fachforums, welches ein Hauptformat der Veranstaltung darstellte. Zusätzlich kam es auf dem Innovationsforum open4INNOVATION2012 erstmals zur aktiven Vernetzung sächsischer Forschergruppen, deren wissenschaftlicher Schwerpunkt die Robotik ist. Auf diesem ersten sächsischen Robotertreffen stand vor allem die Arbeit mit humanoiden Robotern im Mittelpunkt.

Learning-Management-Systeme (LMS) bilden einen festen Bestandteil schulischer, universitärer und betrieblicher Technologiearrangements in der Aus- und Weiterbildungslandschaft (Meyer, 2016). Sie verstehen sich als webbasierte „Softwaresysteme zur Organisation, Steuerung und Kommunikation zum Lernen und Lehren“ (Kultusministerkonferenz, 2016, S. 42) und ermöglichen die Erstellung, Modifizierung und Veröffentlichung von Lerncontent. LMS finden vor allem dort ihren Einsatz, „wo große Nutzerzahlen auf einen nachhaltigen Lernbedarf stoßen“ (Müller, 2018). Sie adressieren als webbasierte Plattformen ein breites Spektrum bildungsbezogener Aufgaben angefangen bei der Verwaltung von Benutzern und Kursen über die Rollen- und Rechtevergabe bis hin zu verschieden Möglichkeiten der Kommunikation und Kollaboration von Lehrenden und Lernenden. Zudem gelten LMS im Kontext der Digitalisierung in Schulen, Hochschulen und Betrieben als entscheidende Marker für die Veränderung und Neuausrichtung von Lehre (Borchert, Fritzenberg, & Schlöffel, 2014). Für den Paradigmenwechsel ‚from teaching to learning’ und eine stärkere Lernerzentrierung sollen LMS eine wesentliche Rolle spielen (Barr & Tagg, 1995). [Aus der Einleitung.]

Role-based approaches gain more and more interest for modeling and implementing variable software systems. Role models clearly separate static behavior represented by players and dynamic behavior modeled as roles which can be dynamically bound and unbound to players at run time. To support the execution of role-based systems, a dynamic binding mechanism is required. Especially, since instances of the same player type can play different roles in a single context, the binding mechanism is required to operate at instance level. In this paper, we introduce a mechanism called dynamic instance binding for implementing a runtime for role-based systems. It maintains a look-up table that allows the run-time system to determine and invoke the currently active role binding at instance level. We explain dynamic instance binding mechanism in detail and demonstrate that it is flexible enough to support both adaptation and evolution of software systems at run time.

Both integrated library management systems and DAISY production and manipulation tools become widespread. We study how they could be combined to build a ready-to-use digital library with DAISY as its core format. The obtained framework should cover the entire book processing, from digital files provided either by publishers or by scanning printed material, until the delivery of DAISY content to end-users in a possibly secured way. We first give a functional description of the framework we have in mind. Then, we examine the existing tools of interest and give some tracks for further software developments.

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