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Item Open Access On the accurate estimation of information-theoretic quantities from multi-dimensional sample data(2024) Álvarez Chaves, Manuel; Gupta, Hoshin V.; Ehret, Uwe; Guthke, AnneliUsing information-theoretic quantities in practical applications with continuous data is often hindered by the fact that probability density functions need to be estimated in higher dimensions, which can become unreliable or even computationally unfeasible. To make these useful quantities more accessible, alternative approaches such as binned frequencies using histograms and k -nearest neighbors ( k -NN) have been proposed. However, a systematic comparison of the applicability of these methods has been lacking. We wish to fill this gap by comparing kernel-density-based estimation (KDE) with these two alternatives in carefully designed synthetic test cases. Specifically, we wish to estimate the information-theoretic quantities: entropy, Kullback–Leibler divergence, and mutual information, from sample data. As a reference, the results are compared to closed-form solutions or numerical integrals. We generate samples from distributions of various shapes in dimensions ranging from one to ten. We evaluate the estimators’ performance as a function of sample size, distribution characteristics, and chosen hyperparameters. We further compare the required computation time and specific implementation challenges. Notably, k -NN estimation tends to outperform other methods, considering algorithmic implementation, computational efficiency, and estimation accuracy, especially with sufficient data. This study provides valuable insights into the strengths and limitations of the different estimation methods for information-theoretic quantities. It also highlights the significance of considering the characteristics of the data, as well as the targeted information-theoretic quantity when selecting an appropriate estimation technique. These findings will assist scientists and practitioners in choosing the most suitable method, considering their specific application and available data. We have collected the compared estimation methods in a ready-to-use open-source Python 3 toolbox and, thereby, hope to promote the use of information-theoretic quantities by researchers and practitioners to evaluate the information in data and models in various disciplines.Item Open Access An empirical study of Linespots : a novel past‐fault algorithm(2021) Scholz, Maximilian; Torkar, RichardThis paper proposes the novel past‐faults fault prediction algorithm Linespots, based on the Bugspots algorithm. We analyse the predictive performance and runtime of Linespots compared with Bugspots with an empirical study using the most significant self‐built dataset as of now, including high‐quality samples for validation. As a novelty in fault prediction, we use Bayesian data analysis and Directed Acyclic Graphs to model the effects. We found consistent improvements in the predictive performance of Linespots over Bugspots for all seven evaluation metrics. We conclude that Linespots should be used over Bugspots in all cases where no real‐time performance is necessary.Item Open Access On the information obtainable from comparative judgments(2022) Bürkner, Paul-ChristianPersonality tests employing comparative judgments have been proposed as an alternative to Likert-type rating scales. One of the main advantages of a comparative format is that it can reduce faking of responses in high-stakes situations. However, previous research has shown that it is highly difficult to obtain trait score estimates that are both faking resistant and sufficiently accurate for individual-level diagnostic decisions. With the goal of contributing to a solution, I study the information obtainable from comparative judgments analyzed by means of Thurstonian IRT models. First, I extend the mathematical theory of ordinal comparative judgments and corresponding models. Second, I provide optimal test designs for Thurstonian IRT models that maximize the accuracy of people’s trait score estimates from both frequentist and Bayesian statistical perspectives. Third, I derive analytic upper bounds for the accuracy of these trait estimates achievable through ordinal Thurstonian IRT models. Fourth, I perform numerical experiments that complement results obtained in earlier simulation studies. The combined analytical and numerical results suggest that it is indeed possible to design personality tests using comparative judgments that yield trait scores estimates sufficiently accurate for individual-level diagnostic decisions, while reducing faking in high-stakes situations. Recommendations for the practical application of comparative judgments for the measurement of personality, specifically in high-stakes situations, are given.Item Open Access FFT-based homogenization at finite strains using composite boxels (ComBo)(2022) Keshav, Sanath; Fritzen, Felix; Kabel, MatthiasComputational homogenization is the gold standard for concurrent multi-scale simulations (e.g., FE2) in scale-bridging applications. Often the simulations are based on experimental and synthetic material microstructures represented by high-resolution 3D image data. The computational complexity of simulations operating on such voxel data is distinct. The inability of voxelized 3D geometries to capture smooth material interfaces accurately, along with the necessity for complexity reduction, has motivated a special local coarse-graining technique called composite voxels (Kabel et al. Comput Methods Appl Mech Eng 294: 168-188, 2015). They condense multiple fine-scale voxels into a single voxel, whose constitutive model is derived from the laminate theory. Our contribution generalizes composite voxels towards composite boxels (ComBo) that are non-equiaxed, a feature that can pay off for materials with a preferred direction such as pseudo-uni-directional fiber composites. A novel image-based normal detection algorithm is devised which (i) allows for boxels in the firsts place and (ii) reduces the error in the phase-averaged stresses by around 30% against the orientation cf. Kabel et al. (Comput Methods Appl Mech Eng 294: 168-188, 2015) even for equiaxed voxels. Further, the use of ComBo for finite strain simulations is studied in detail. An efficient and robust implementation is proposed, featuring an essential selective back-projection algorithm preventing physically inadmissible states. Various examples show the efficiency of ComBo against the original proposal by Kabel et al. (Comput Methods Appl Mech Eng 294: 168-188, 2015) and the proposed algorithmic enhancements for nonlinear mechanical problems. The general usability is emphasized by examining various Fast Fourier Transform (FFT) based solvers, including a detailed description of the Doubly-Fine Material Grid (DFMG) for finite strains. All of the studied schemes benefit from the ComBo discretization.Item Open Access IDEA - towards an interactive tool that supports creativity sessions in automotive product development(2023) Kaschub, Verena Lisa; Wechner, Reto; Krautmacher, Lara; Diers, Daniel; Bues, Matthias; Lossack, Ralf; Kloos, Uwe; Riedel, OliverItem Open Access Beitrag zur Modellierung und Simulation des Strahlzerfalls bei der pneumatischen Lackzerstäubung(2020) Shen, Bo; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)Der Zerstäubungsprozess ist der zentrale Vorgang bei der Spritzlackierung. Bei pneumatischen Zerstäubern wird der Lack durch Zerstäubungsgase, die mit Hochgeschwindigkeit strömen, zerlegt. Der Einfluss der Eigenschaften der Zerstäubungsgase auf die Zerstäubung und den gesamten Spritzvorgang wird zuerst im Rahmen dieser Arbeit durch experimentelle und numerische Untersuchungen studiert. Hierbei ist festzustellen, dass Gase mit geringerer Dichte höhere Strömungsgeschwindigkeiten nahe am Zerstäuber erzielen und damit eine bessere Zerstäubung bewirken. Gleichzeitig fällt die Gasgeschwindigkeit schneller wieder ab, wodurch der Staudruck minimiert wird und ein hoher Lackauftragswirkungsgrad erzielt werden kann. Anschließend fokussiert diese Arbeit auf numerische Untersuchungen zum Primärzerfall von Flüssigkeitsstrahlen unter Verwendung der Volume-of-Fluid-Methode (VOF). In der Simulation sind unterschiedliche Zerfallserscheinungen zu beobachten. Die Länge des intakten Flüssigkeitsstrahls, welche häufig als Maßstab zur Bewertung der Zerstäubungsqualität verwendet wird, lässt sich ebenfalls bestimmen. Zum Herausfinden der Bedingungen für einen effizienten Primärzerfall werden zwei Zerfallsindizes eingeführt. Eine negative Korrelation zwischen den Zerfallsindizes und dem dynamischen Druckverhältnis ist festzustellen. Schließlich wird der Stahlzerfall separat mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera und eines Laserbeugungssystems untersucht. Die erzielten Ergebnisse werden mit den Simulationsergebnissen verglichen.Item Open Access Integrated water management solutions in the Lurín Catchment, Lima, Peru : supporting United Nations' Sustainable Development Goal 6 : final report of the joint project TRUST(2021) Bondy, Jan; Brauer, Friederike; Cardona, Jaime; Chamorro, Johannes; Fischer, Thilo; Hahne, Lucia; Hinz, Stefan; Hügler, Michael; León, Christian D.; Keller, Sina; Kosow, Hannah; Kramer, Hanna; Krauss, Manuel; Minke, Ralf; Minn, Fabienne; Riese, Felix; Schroers, Samuel; Stauder, Stefan; Sturm, Sebastian; Wasielewski, Stephan; Wienhöfer, Jan; Zahumensky, Yvonne; León, Christian D.; Brauer, Friedrike; Hügler, Michael; Keller, Sina; Kosow, Hannah; Krauss, Manuel; Wasielewski, Stephan; Wienhöfer, JanWith the 2030 Agenda for Sustainable Development, the United Nations have established a catalog of 17 Sustainable Development Goals (SDGs) to achieve a better and more sustainable future for all by 2030. One important aspect, formulated as Goal 6, is ensuring the availability and sustainable management of water and sanitation for all. Achieving SDG6 represents a challenge for planning, governance, and water management, especially in prosperous water-scarce regions, where water demand rises steadily and outgrows sustainable supply. Using the example of the catchment area of the Río Lurín in Lima, Peru, the TRUST project demonstrated how interdisciplinary and transdisciplinary approaches could contribute to meeting the water management challenges that are related to achieving SDG 6 in prosperous regions facing water scarcity. The approaches cover the closely interlinked domains water resources, water use, and water management. For each domain, we set up a comprehensive data base, conducted local analyses, and developed integrated concepts taking the river basin perspective into account. The concepts covered drinking water supply, safe wastewater treatment and disposal, and water reuse. They were developed in close cooperation with local actors and national authorities. The methods and tools can be transferred to other regions of the world with similar challenges. This TRUST Report is intended as a manual to help decision-makers and water management professionals to develop and implement locally adapted solutions for sustainable water management.Item Open Access Development of a bioinspired multimodal mobile robot platform(2024) Kim, HyunGyu; Sitti, Metin (Prof. Dr.)Item Open Access Learning soft millirobot multimodal locomotion with sim‐to‐real transfer(2024) Demir, Sinan Ozgun; Tiryaki, Mehmet Efe; Karacakol, Alp Can; Sitti, MetinWith wireless multimodal locomotion capabilities, magnetic soft millirobots have emerged as potential minimally invasive medical robotic platforms. Due to their diverse shape programming capability, they can generate various locomotion modes, and their locomotion can be adapted to different environments by controlling the external magnetic field signal. Existing adaptation methods, however, are based on hand‐tuned signals. Here, a learning‐based adaptive magnetic soft millirobot multimodal locomotion framework empowered by sim‐to‐real transfer is presented. Developing a data‐driven magnetic soft millirobot simulation environment, the periodic magnetic actuation signal is learned for a given soft millirobot in simulation. Then, the learned locomotion strategy is deployed to the real world using Bayesian optimization and Gaussian processes. Finally, automated domain recognition and locomotion adaptation for unknown environments using a Kullback‐Leibler divergence‐based probabilistic method are illustrated. This method can enable soft millirobot locomotion to quickly and continuously adapt to environmental changes and explore the actuation space for unanticipated solutions with minimum experimental cost.Item Open Access Flexible Führung hochbrillanter Laserstrahlen mit optischen Fasern(München : utzverlag, 2020) Röhrer, Christian; Graf, Thomas (Prof. Dr. phil. nat.)Festkörperlaser mit beugungsbegrenzter Strahlqualität eröffnen durch ihre stetig steigende Ausgangsleistung kontinuierlich neue Anwendungsfelder in der Lasermaterialbearbeitung. In Hinblick auf den wachsenden Bedarf einer flexiblen Strahlführung von Festkörperlaserstrahlung gewinnen optische Glasfasern hierbei, bedingt durch ihre vergleichsweise niedrigen Kosten, hohe Zuverlässigkeit und Vielseitigkeit, in industriellen Systemen immer mehr an Bedeutung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher verschiedene optische Glasfasern für Anwendungen im Dauerstrichbetrieb (CW), wie auch für ultrakurz gepulste (UKP) Strahlung, untersucht. Für Anwendungen von cw-Lasern bis in den kW-Bereich wurde der Grundmodestrahltransport in hochgradig multimodigen Stufenindexfasern untersucht. Hierfür wurde die gesamte Entwicklungskette von der Faserauslegung über die Faserproduktion bis hin zur Fasercharakterisierung durchgeführt. Im Bereich der Hohlkernfasern, wie sie typischerweise für die Übertragung von UKP-Strahlung verwendet werden, wurden Fasern bezüglich ihres polarisationserhaltenden Verhaltens analysiert, da die Polarisation einen entscheidenden Parameter für eine Vielzahl der Prozesse in der Mikromaterialbearbeitung darstellt. Zum Grundmodestrahltransport in hochgradig multimodigen Stufenindexfasern wurde zu Beginn der Einfluss des Faserkerndurchmessers untersucht, um den minimal benötigten effektiven Brechzahlunterschied Δneff zwischen den Moden LP01 und LP11, der zur Unterdrückung von Modenmischung notwendig ist, zu finden. Hierbei wurde gezeigt, dass es möglich ist, in Fasern mit Kerndurchmessern von bis zu 80 µm bei einer numerischen Apertur (NA) von 0,111 über eine Faserlänge zwischen 5 und 10 m eine nahezu beugungsbegrenzte Strahlqualität (Beugungsmaßzahl M² ≈ 1,3) beizubehalten. Dies entspricht beim größten Faserkerndurchmesser von 80 µm einer effektiven Modenfläche von 2800 µm² bei einem Δneff von 0,5·10-4. Der Einfluss der Einkopplung wurde zuerst theoretisch mit Hilfe numerischer Simulationen untersucht, bevor die Ergebnisse experimentell bestätigt wurden, indem die Strahlgröße des fokussierten Gaußstrahls auf der Faserfacette variiert wurde. Bei optimaler Einkopplung in die Faser, das heißt, der Überlapp zwischen einfallendem Strahl und LP01-Grundmode der Faser ist maximal, konnte nach der Faser die niedrigste Beugungsmaßzahl gemessen werden. Außerdem wurde gezeigt, dass die Strahlqualität nach der Faser selbst für Biegeradien der Faser bis hinab zu 2 cm kaum degradiert und so für alle untersuchten Fasern mit Kerndurchmessern zwischen 50 und 80 µm stets ein M² kleiner 1,5 gemessen werden konnte. Die Schwellleistung von stimulierter Raman-Streuung konnte experimentell für eine Faser mit einem Kerndurchmesser von 80 µm bei einer Länge von 10 m, welche lose auf dem Tisch platziert wurde (Biegeradius rbend ≥ 25 cm), zu mehr als 60 kW ermittelt werden. Um Limitierungen aufgrund thermisch induzierter Aberrationen zu umgehen, wie sie typischerweise bei transmissiven Optiken zur Freistrahleinkopplung auftreten, wurde zur weiteren Untersuchung des Grundmodestrahltransports in hochgradig multimodigen Stufenindexfasern ein monolithischer Ansatz verwendet. Zur experimentellen Realisierung wurde ein cw-Grundmode-Faserlaser an die zu untersuchenden Transportfasern gespleißt, welche auf Basis der Coupled-Mode-Theorie hinsichtlich Faserdesign wie auch Faserproduktion optimiert wurden. Die hierfür notwendigen Taper wurden direkt während des Faserzugs in die Fasern implementiert und alle benötigten Spleißverbindungen wurden vorab entwickelt. Über eine Faserlänge von 100 m konnte auf diese Weise für Fasern mit Kerndurchmessern zwischen 30 und 60 µm bei einer NA von 0,22 die Erhaltung nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität (M² ≈ 1,3) demonstriert werden. Mit steigender Faserlänge wurde eine graduelle Degradierung der Strahlqualität unabhängig vom Faserkerndurchmesser beobachtet. Für eine Faser mit einem Kerndurchmesser von 60 µm bei einer Länge von 380 m konnte trotzdem noch ein M² von 2,1 gezeigt werden. Die Hochleistungstauglichkeit des verwendeten monolithischen Ansatzes konnte demonstriert werden, indem ein Strahl mit einer Leistung von 1 kW über eine 100 m lange Faser mit einem Kerndurchmesser von 60 µm übertragen werden konnte, bei einem M² des transmittierten Strahls von 1,3 und ohne dass stimulierte Raman-Streuung die Übertragung limitierte. Zur Übertragung von UKP-Strahlung wurden zwei verschiedene Typen von Hohlkernfasern bezüglich ihres polarisationserhaltenden Verhaltens untersucht. Die verwendeten photonischen Kristallfasern nutzen „Inhibited-Coupling“ als Strahlführungsmechanismus, wobei die K-7C Faser ein Kagome-Gitter im Fasermantel besitzt, bei der sieben Fehlstellen den Faserkern mit hypozykloider Kernkontur bilden, und die T-8 Faser über einen tubularen Aufbau verfügt, bestehend aus acht Kapillaren im Fasermantel. Es konnte gezeigt werden, dass ein Unterschied der Propagationskonstanten beider orthogonal zueinander polarisierten LP01-Fasermoden δneff ≠ 0) über die Propagation zu einer Phasenverschiebung führt. Dies kann umgangen werden, wenn lediglich eine der beiden LP01-Moden der Faser angeregt wird, indem die Orientierung der linearen Polarisation der in die Faser eingekoppelten Strahlung entweder parallel oder orthogonal zur Biegeebene ausgerichtet ist. Wird hingegen eine Mischung beider Polarisationszustände angeregt, führt dies über die Propagation zu einer Degradierung des linearen Polarisationszustands. Für beide Fasern steigt mit abnehmendem Biegeradius die Differenz beider Propagationskonstanten δneff an, wodurch die Phasenverschiebung zunimmt. Dieses Verhalten wurde theoretisch anhand numerischer Simulationen beschrieben und konnte abschließend mittels experimenteller Ergebnisse bestätigt werden. Es hat sich hierbei gezeigt, dass die Phasenverschiebung in der K-7C Faser etwa einen Faktor 5 höher ist als in der T-8 Faser, was in guter Übereinstimmung mit den numerischen Simulationen steht.