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COSIMA: Innovationen in der Mikrosystemtechnik

Zwei Teams, an denen Studierende des KIT beteiligt sind, treten Ende Oktober beim Wettbewerb COSIMA an, der „Competition of Students in Microsystems Applications“. Der Wettbewerb wird vom Verband der Elektrotechnik Elektronik und Informationstechnik (VDE) mit Unterstützung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) ausgetragen. Die Teams müssen neue Einsatzmöglichkeiten von Mikrosystemen suchen und finden sowie einen funktionsfähigen Prototypen präsentieren.

Fotos: Florian Denk, Greta Esders, Kevin Koppitz, Sebastian Neßler
Text: Christine Dörflinger, Greta Esders

Projekt PoCED
Vier Studierende des KIT und der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg treiben das Forschungsprojekt PoCED voran, um einen Diagnosechip für Patienten zu entwickeln, die unter chronisch entzündlichen Darmerkrankungen leiden. Unterstützt werden sie dabei vom Institut für Mikrosystemtechnik des KIT. Kennengelernt hatten sich die Teammitglieder durch eine Lehrveranstaltung am KIT: das Praktikum Hands-on BioMEMS, das vom Institut für Mikrosystemtechnik angeboten wird.

Allein in Deutschland leiden über 300.000 Menschen unter chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED) wie Morbus Crohn und Colitis ulcerosa. Die Patenten erleben Schübe mit starken Symptomen sowie nahezu beschwerdefreie Phasen. In den meisten Fällen wird versucht, den Beschwerden mithilfe einer täglichen Medikation entgegenzuwirken.

„Die Idee von PoCED ist es, anhand biologischer Stoffe, sogenannter Biomarker, im Stuhl des Patienten einen eintretenden Krankheitsschub frühzeitig zu erkennen, damit im Folgenden die Medikamentierung präzisierter eingesetzt werden kann“, erläutert Christine Dörflinger, die am KIT im Master Maschinenbau studiert. „Dafür hat unser Team einen mikrofluidischer Analysechip entwickelt, mit dem die Patienten die Untersuchung sogar selbständig in den eigenen vier Wänden durchführen können.“

Zur Auswertung muss der Patient die Probe in einem speziellen Proberöhrchen verdünnen und auf den Chip geben. Alle weiteren Schritte erfolgen automatisch im Diagnosechip, der nur noch in ein tragbares Analysegerät gelegt werden muss, um das Ergebnis für den Patienten darzustellen. Ziel von PoCED ist es, die Lebensqualität von Patienten mit chronisch entzündlichen Darmerkrankungen zu steigern: Zum einen können Patienten ihren Krankheitsverlauf selbst überwachen, zum anderen wird den behandelnden Ärzten die Möglichkeit gegeben, durch aktuelle Daten die Medikamentierung besser einzustellen und so den Patienten präziser helfen zu können.

Projekt „El Generatore“
„El Generatore“ ist ein interdisziplinäres Team, das mit KIT-Beteiligung bei COSIMA antritt. Hier entwickeln Studierende des Instituts für Mikrosystemtechnik des KIT und der Albert-Ludwigs-Universität mit Unterstützung der memetis GmbH und der Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung  ein System, das aus Schwingungen seiner Umgebung einen elektrischen Strom generiert, um beispielsweise kleine Sensoren zu betreiben.

In modernen Industrieanlagen sind ungeplante Stillstände ein Albtraum. Um sie zu verhindern werden Maschinen im Zuge der Digitalisierung mit immer mehr Sensoren überwacht, oft an schwer zugänglichen Stellen, an denen sie nicht von außen mit Strom versorgt werden können. Zur Lösung dieses Problems ist das Konzept des „Energy-Harvesting“, zu Deutsch „Energie-Ernten“ entstanden. Dabei wird vorhandene Umgebungsenergie wie beispielsweise Licht, Temperatur oder auch Schwingungen genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen und damit die Sensoren zu betreiben.

„Eine Energieform, die bei Maschinen so gut wie immer vorhanden ist, ist Vibration. Bei Arbeitsmaschinen entstehen aufgrund des Antriebs immer Schwingungen beziehungsweise Vibrationen“, erklärt Greta Esders, die am KIT Wirtschaftsingenieurwesen studiert. „Diese können durch Vibrationsgeneratoren genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen.“

Vibrationsgeneratoren wandeln Schwingungen in Energie um, ähnlich, wie das ein Fahrraddynamo mit Drehbewegungen macht. Sie arbeiten aufgrund mechanischer Eigenschaften nur in einem kleinen Bereich der anregenden Schwingung effektiv, nämlich möglichst nah bei ihrer so genannten Resonanzfrequenz. Deshalb muss sich der Vibrationsgenerator an die Schwingungsfrequenzen der Maschinen anpassen können, ohne dabei zu viel Energie zu verlieren.

Die Lösung dieses Problems hat sich das Studierendenteam „El Generatore“ zur Aufgabe gemacht. Die Gruppe entwickelt neuartige mechanische Strukturen, bei denen die Anpassung der Resonanzfrequenz sehr verlustarm erfolgt.

Auch im Betreuerteam ist das KIT zumindest indirekt vertreten. Christof Megnin, der am KIT Maschinenbau studierte und hier anschließend promovierte, unterstützt die Studierenden in ihrer Arbeit. Als Mitbegründer der memetis GmbH, einer Ausgründung des KIT, steuert er nicht nur Know-how, sondern auch gut ausgestattete Arbeitsräume und -maschinen bei.

Der Wettbewerb findet vom 28. bis 30. Oktober in Berlin statt. Infos zu COSIMA hier.


Vierer-Gruppenfoto „El Generatore“:
Die Teammitglieder von „El Generatore“ und ihre Aufgaben (von rechts nach links): Sohail Nadim, Elektronik; Christoph Grandauer: Sensorik, Aktorik und Digital Signal Processing (DSP); Greta Esders: Konstruktion und Fertigung, Manuel Köhler, Aktorik; Florian Bregler, Programmierung (Foto: Sebastian Neßler)

Gruppenfoto PoCED:
Das PoCED-Team und die Schwerpunkte der Mitglieder: Kevin Koppitz, Medizintechnik und Mikrosystemtechnik, Christine Dörflinger, Medizintechnik und Polymerengineering, und Shant Gananian, Medizintechnik und Robotik, studieren alle am KIT im Master Maschinenbau. Niklas Virks (2. v.l.) studiert an der Universität Freiburg, konnte aber aufgrund über den Eucor-Verbund an Lehrveranstaltungen des KIT teilnehmen. (Foto: Florian Denk)


Montag, 14. Oktober, 2019
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Geschrieben von: Gastautor