Vorausschau und Planung neuer Technologiepfade in Unternehmen

Unternehmen konkurrieren in einem globalen Wettbewerb um den Transfer neuer Technologien in erfolgreiche Geschäftsmodelle. Aus diesem Grund stehen sie zunehmend der Herausforderung gegenüber, technologische Potenziale frühzeitig zu identifizieren, zu bewerten und Strategien für das Erschließen dieser Potenziale zu entwickeln. Dies ist zentraler Gegenstand der Vorausschau und Planung neuer Technologiepfade. In der vorliegenden Arbeit wird gemeinsam mit vier Unternehmen ein Leitfaden für die Strategiefindung, Entwicklung und Kommerzialisierung neu aufkommender Technologien entwickelt und angewendet. Den Ausgangspunkt der Arbeit bildet eine systematische Aufarbeitung des Forschungsstandes der Vorausschau und Planung neuer Technologien. Anschließend wird ein Beschreibungsmodell der Entstehung neuer Technologiepfade in technologiebasierten Innovationssystemen entwickelt. Auf Basis dieses Modells werden unterschiedliche Kategorien von Einflussfaktoren definiert, die als Analyserahmen für die neu entstehende Technologie dienen. Auf Basis der in der Literatur dokumentierten Abläufe, Teamstrukturen und Methoden (z.B. Roadmaps, Szenarien, Datenbankanalysen) wird ein sechsstufiger Ansatz für die Durchführung der Vorausschau und Planung neuer Technologiepfade konzipiert. Dieser Ansatz wird in vier Firmen für die Vorausschau und Planung neuer Technologien angewendet. Die untersuchten Technologien lassen sich den Feldern Biotechnologie, Nanotechnologie, Umwelttechnologie und Sensorik zuordnen. Zentrales Ergebnis der Arbeit ist ein entsprechend der Erfahrungen in den Unternehmen angepasster Ansatz für die Vorausschau und Planung neuer Technologiepfade. Dieser Ansatz ist in Abhängigkeit von Unternehmens- und Technologiecharakteristika für die weitere Anwendung konkretisiert. Dabei finden die zu beteiligenden Organisationseinheiten, zu betrachtende Einflussfaktoren sowie anwendbare Methoden besondere Berücksichtigung. Die Arbeit richtet sich an Personen in Führungspositionen im Bereich des strategischen Technologiemanagements sowie der Forschung und Entwicklung in Unternehmen, die Strategien für neu aufkommende Technologien entwickeln. Weiterhin sind die Ergebnisse der Arbeit für Wissenschaftler auf dem Gebiet der Methoden zur Vorausschau und Strategieentwicklung für neue Technologien von Interesse.

Synthese und Charakterisierung neuer symmetrischer und unsymmetrischer Spiro-p-oligophenyle

In der vorliegenden Arbeit wurden neue symmetrische Spiro-p-oligophenyle der allgemeinen Form Spiro-o-Φ[n,n] mit der Gesamtkettenlänge o=2n+2 Phenylringen (o > 10) und der Zahl n der Phenylringe in den p-Oligophenylsubstituenten am Spirobifluorenkern, dargestellt. Neben den symmetrischen Verbindungen wurden erstmals auch unsymmetrische Spiro-p-oligophenyle der allgemeinen Form Spiro-o-Φ[n,m] mit o=n+m+2 (o = 3-7) und n ≠ m synthetisiert. Aufgrund der sehr geringen Löslichkeit der größeren Verbindungen wurden löslichkeitssteigernde Substituenten an den endständigen Phenylringen angebracht. Bei den Verbindungen, die mit Trimethylsilyl-Gruppen (TMS-) in den endständigen meta-Positionen „3“ und „5“ substituiert wurden, konnte die Löslichkeit um mehrere Größenordnungen gesteigert werden, sodass die Darstellung der symmetrischen Verbindungen bis zu einer Kettenlänge von 16 Phenylringen möglich wurde. Nach erfolgreicher Synthese und Aufreinigung wurden die TMS-Gruppen wieder entfernt und die erhaltenen, unsubstituierten Verbindungen charakterisiert. Zusätzlich wurden auch die TMS-Derivate untersucht. Zur Charakterisierung zählten neben der Reinheits- und Strukturanalytik unter anderem auch spektroskopische (UV/Vis-Absorption, Fluoreszenz, Fluoreszenzquantenausbeute), elektrochemische (Cyclovoltammetrie) und thermische (Thermogravimetrie, Dynamische Differenzkalorimetrie) Untersuchungen. Hier wurde unter anderem der Einfluss der Kettenlänge und der Position der Spiroverknüpfung auf isomere Verbindungen gleicher Kettenlänge untersucht. Bei den spektroskopischen Messungen konnte eine Konvergenz der längstwelligen Absorptionsbanden, bzw. kürzestwelligen Fluoreszenzbanden mit zunehmender Kettenlänge beobachtet werden. Die effektive Konjugationslänge konnte so aus experimentellen Daten bestimmt werden zu 12 Phenylringen in der Absorption und 14 Phenylringen in der Fluoreszenz. Bei den Isomeren gleicher Kettenlänge zeigte sich in der Absorption eine hypsochrome Verschiebung der Absorptionsmaxima mit zunehmender Verschiebung der Spiroverknüpfung zum Kettenende hin, während die Position der Spiroverknüpfung keinen messbaren Einfluss auf die Verschiebung der Fluoreszenzbanden hatte. Die Substitution mit TMS in den meta-Positionen zeigte keinen messbaren Einfluss auf die Absorptions- bzw. Fluoreszenzbanden. Die elektrochemischen Untersuchungen zeigten mit zunehmender Kettenlänge eine erleichterte Oxidation und Reduktion, während bei Isomeren gleicher Kettenlänge die Oxidation mit Verschiebung der Spiroverknüpfung zum Kettenende hin erschwert und die Reduktion erleichtert war. Die thermogravimetrischen Analysen (TGA) zeigten eine außerordentlich hohe thermische Stabilität (5% Massenabnahme unter Schutzgas) der Spiro-p-oligophenyle von Td,5% = 474°C bei Spiro-5Φ[1,2] bis 570°C bei Spiro 8Φ[3,3]. Ebenso blieben hohe Rückstandsmassen unter Schutzgas bei 850°C zurück, wie das Beispiel Spiro 8Φ[3,3] mit 68% zeigt. Die Verbindungen zeigten hohe Schmelzpunkte (max. 496°C bei Spiro-6Φ[0,4]) und Glasübergangstemperaturen (max. 434°C bei p-TMS-Spiro-8Φ[3,3]). Viele der Verbindungen, besonders die in den meta-Positionen TMS-substituierten Verbindungen, bildeten stabile amorphe Gläser.

Local food security and principle of organic farming (from farm to fork) in context of food culture in Indonesia: Minangkabau's case study

The basic idea behind improving local food security consists of two paths; first, accessibility (price, stock) and second, availability (quantity and biodiversity); both are perquisites to the provision of nutrients and a continuous food supply with locally available resources. The objectives of this thesis are to investigate if indigenous knowledge still plays an important role in traditional farming in the Minangkabau`s culture, thus supporting local food security. If the indigenous knowledge still plays a role in food culture in the Minangkabau`s culture which is linked to the matrilineal role and leads to a sound nutrition. Further, it should be tested if marantau influences traditional farming and food culture in Minangkabau`s, and if the local government plays a role in changing of traditional farming systems and food culture. Furthermore this thesis wants to prove if education and gender are playing a role in changing traditional farming system and food culture, and if the mass media affects traditional farming systems and food culture for the Minangkabau. The study was completed at four locations in West Sumatera; Nagari Ulakan (NU) (coastal area), Nagari Aia Batumbuak (NAB) (hilly area), Nagari Padang Laweh Malalo (NPLM) (lake area), Nagari Pandai Sikek (NPS) (hilly area). The rainfall ranged from 1400- 4800 mm annually with fertile soils. Data was collected by using PRA (Participatory Rural Appraisal) to investigate indigenous knowledge (IK) and its interactions, which is also combining with in depth-interview, life history, a survey using semi-structured-questionnaire, pictures, mapping, and expert interview. The data was collected from June - September 2009 and June 2010. The materials are; map of area, list of names, questionnaires, voices recorder, note book, and digital camera. The sampling method was snowball sampling which resulted in the qualitative and quantitative data taken. For qualitative data, ethnography and life history was used. For quantitative, a statistical survey with a semi-structured questionnaire was used. 50 respondents per each site participated voluntarily. Data was analyzed by performing MAXQDA 10, and F4 audio analysis software (created and developed by Philip-University Marburg). The data is clustered based on causality. The results show that; the role of IK on TFS (traditional farming system) shown on NPLM which has higher food crop biodiversity in comparison to the other three places even though it has relatively similar temperature and rainfall. This high food crop biodiversity is due to the awareness of local people who realized that they lived in unfavourable climate and topography; therefore they are more prepared for any changes that may occur. Carbohydrate intake is 100 % through rice even though they are growing different staple crops. Whereas most of the people said in the interviews that not eating rice is like not really eating for them. In addition to that, mothers still play an important role in kitchen activities. But when the agriculture income is low, mothers have to decide whether to change the meals or to feel insecure about their food supply. Marantau yields positive impact through the remittances it provides to invest on the farm. On the other hand, it results in fewer workers for agriculture, and therefore a negative impact on the transfer of IK. The investigation showed that the local government has a PTS (Padi Tanam Sabatang) programme which still does not guarantee that the farmers are getting sufficient revenue from their land. The low agricultural income leads to situation of potential food insecurity. It is evident that education is equal among men and women, but in some cases women tend to leave school earlier because of arranged marriages or the distances of school from their homes. Men predominantly work in agriculture and fishing, while women work in the kitchen. In NAB, even though women work on farmland they earn less then men. Weaving (NPS) and kitchen activity is recognized as women’s work, which also supports the household income. Mass media is not yielding any changes in TFS and food culture in these days. The traditional farming system has changed because of intensive agricultural extension which has introduced new methods of agriculture for the last three decades (since the 1980’s). There is no evidence that they want to change any of their food habits because of the mass media despite the lapau activity which allows them to get more food choices, instead preparing traditional meal at home. The recommendations of this thesis are: 1) The empowerment of farmers. It is regarding the self sufficient supply of manure, cooperative seed, and sustainable farm management. Farmers should know – where are they in their state of knowledge – so they can use their local wisdom and still collaborate with new sources of knowledge. Farmers should learn the prognosis of supply and demand next prior to harvest. There is a need for farm management guidelines; that can be adopted from both their local wisdom and modern knowledge. 2) Increase of non-agricultural income Increasing the non-agricultural income is strongly recommended. The remittances can be invested on non-agricultural jobs. 3) The empowerment of the mother. The mother plays an important role in farm to fork activities; the mother can be an initiator and promoter of cultivating spices in the backyard. Improvement of nutritional knowledge through information and informal public education can be done through arisan ibu-ibu and lapau activity. The challenges to apply these recommendations are: 1) The gap between institutions and organizations of local governments. There is more than one institution involved in food security policy. 2) Training and facilities for field extension agriculture (FEA) is needed because the rapid change of interaction between local government and farmer’s dependent on this agency.

Optimization-Based Robotic Manipulation for Safe Interaction with Human Operators

This thesis investigates a method for human-robot interaction (HRI) in order to uphold productivity of industrial robots like minimization of the shortest operation time, while ensuring human safety like collision avoidance. For solving such problems an online motion planning approach for robotic manipulators with HRI has been proposed. The approach is based on model predictive control (MPC) with embedded mixed integer programming. The planning strategies of the robotic manipulators mainly considered in the thesis are directly performed in the workspace for easy obstacle representation. The non-convex optimization problem is approximated by a mixed-integer program (MIP). It is further effectively reformulated such that the number of binary variables and the number of feasible integer solutions are drastically decreased. Safety-relevant regions, which are potentially occupied by the human operators, can be generated online by a proposed method based on hidden Markov models. In contrast to previous approaches, which derive predictions based on probability density functions in the form of single points, such as most likely or expected human positions, the proposed method computes safety-relevant subsets of the workspace as a region which is possibly occupied by the human at future instances of time. The method is further enhanced by combining reachability analysis to increase the prediction accuracy. These safety-relevant regions can subsequently serve as safety constraints when the motion is planned by optimization. This way one arrives at motion plans that are safe, i.e. plans that avoid collision with a probability not less than a predefined threshold. The developed methods have been successfully applied to a developed demonstrator, where an industrial robot works in the same space as a human operator. The task of the industrial robot is to drive its end-effector according to a nominal sequence of grippingmotion-releasing operations while no collision with a human arm occurs.

A storage scheme for an automated archive

Presentation given at the Al-Azhar Engineering First Conference, AEC’89, Dec. 9-12 1989, Cairo, Egypt. The paper presented at AEC'89 suggests an infinite storage scheme divided into one volume which is online and an arbitrary number of off-line volumes arranged into a linear chain which hold records which haven't been accessed recently. The online volume holds the records in sorted order (e.g. as a B-tree) and contains shortest prefixes of keys of records already pushed offline. As new records enter, older ones are retired to the first volume which is going offline next. Statistical arguments are given for the rate at which an off-line volume needs to be fetched to reload a record which had been retired before. The rate depends on the distribution of access probabilities as a function of time. Applications are medical records, production records or other data which need to be kept for a long time for legal reasons.

eLearning im Sportstudium

In der gesamten Hochschullandschaft begleiten eLearning-Szenarien organisatorische Erneuerungsprozesse und stellen damit ein vielversprechendes Instrument zur Unterstützung und Verbesserung der klassischen Präsenzlehre dar. Davon ausgehend wurde von 2010 bis 2011 das Kasseler Sportspiel-Modell um die integrative Vermittlung der Einkontakt-Rückschlagspiele erweitert (Heyer, Albert, Scheid & Blömeke-Rumpf, 2011) und in einen modularisierten eLearning-Content, bestehend aus insgesamt 4 Modulen (17 Lernkurse, 171 Kursseiten, 73 Grafiken, 73 Videos, 38 Lernkontrollfragen), eingebunden. Dieser Content wurde im Rahmen einer Evaluationsstudie in Blended Learning Seminaren, welche die didaktischen Vorteile von Online- und Präsenzphasen zu einer Seminarform vereinen (Treumann, Ganguin & Arens, 2012), vergleichend zur klassischen Präsenzlehre im Sportstudium betrachtet. Die Studie gliedert sich in insgesamt drei Phasen: 1.) Pilotstudie am IfSS in Kassel (WS 2011/12; N=17, Lehramt), 2.) Hauptuntersuchung I am IfSS in Kassel (SS 2012; N=67, Lehramt) und 3.) Hauptuntersuchung II am IfS in Frankfurt a. M. (WS 2012/13; N=112, BA). Mittels varianzanalytischer Untersuchungsverfahren erfasst die Studie auf drei unterschiedlichen Qualitätsebenen folgende Aspekte der Lehr-Lernforschung: 1.) Ebene der Inputqualität: Bewertung der Seminarform (BS), 2.) Ebene der Prozessqualität: Motivation (SELLMO-ST), Lernstrategien (LIST) und computerbezogene Einstellung (FIDEC), 3.) Ebene der Outcomequalität: Lernleistung (Abschlusstest und Transferaufgabe). In der vergleichenden Betrachtung der beiden Hauptuntersuchungen erfolgt eine Gegenüberstellung von je einem Präsenzseminar zu zwei unterschiedlichen Varianten von Blended Learning Seminaren (BL-1, BL-2). Während der Online-Phasen bearbeiten die Sportstudierenden in BL-1 die Module in Lerngruppen. Die Teilnehmer in BL-2 führen in diesen Phasen zusätzlich persönliche Lerntagebücher. Dies soll zu einer vergleichsweise intensiveren Auseinandersetzung mit den Inhalten der Lernkurse sowie dem eigenen Lernprozess auf kognitiver und metakognitiver Ebene anregen (Hübner, Nückles & Renkl, 2007) und folglich zu besseren Ergebnissen auf den drei Qualitätsebenen führen. Die Ergebnisse der beiden Hauptuntersuchungen zeigen in der direkten, standortbezogenen Gegenüberstellung aller drei Seminarformen überwiegend keine statistisch signifikanten Unterschiede. Der erwartete positive Effekt durch die Einführung des Lerntagebuchs bleibt ebenfalls aus. Im standortübergreifenden Vergleich der Blended-Learning-Seminare ist bemerkenswert, dass die Probanden aus Frankfurt gegenüber ihrer Seminarform eine tendenziell kritischere Haltung einnehmen, was möglicherweise mit den vorherrschenden, unterschiedlichen Studiengängen – Lehramt und BA – korrespondiert. Zusammenfassend lässt sich somit für den untersuchten Bereich der Rückschlagspielvermittlung festhalten, dass Blended-Learning-Seminare eine qualitativ gleichwertige Alternative zur klassischen Präsenzlehre im Sportstudium darstellen.

Optimizing Robust Quantum Gates in Open Quantum Systems

We are currently at the cusp of a revolution in quantum technology that relies not just on the passive use of quantum effects, but on their active control. At the forefront of this revolution is the implementation of a quantum computer. Encoding information in quantum states as “qubits” allows to use entanglement and quantum superposition to perform calculations that are infeasible on classical computers. The fundamental challenge in the realization of quantum computers is to avoid decoherence – the loss of quantum properties – due to unwanted interaction with the environment. This thesis addresses the problem of implementing entangling two-qubit quantum gates that are robust with respect to both decoherence and classical noise. It covers three aspects: the use of efficient numerical tools for the simulation and optimal control of open and closed quantum systems, the role of advanced optimization functionals in facilitating robustness, and the application of these techniques to two of the leading implementations of quantum computation, trapped atoms and superconducting circuits. After a review of the theoretical and numerical foundations, the central part of the thesis starts with the idea of using ensemble optimization to achieve robustness with respect to both classical fluctuations in the system parameters, and decoherence. For the example of a controlled phasegate implemented with trapped Rydberg atoms, this approach is demonstrated to yield a gate that is at least one order of magnitude more robust than the best known analytic scheme. Moreover this robustness is maintained even for gate durations significantly shorter than those obtained in the analytic scheme. Superconducting circuits are a particularly promising architecture for the implementation of a quantum computer. Their flexibility is demonstrated by performing optimizations for both diagonal and non-diagonal quantum gates. In order to achieve robustness with respect to decoherence, it is essential to implement quantum gates in the shortest possible amount of time. This may be facilitated by using an optimization functional that targets an arbitrary perfect entangler, based on a geometric theory of two-qubit gates. For the example of superconducting qubits, it is shown that this approach leads to significantly shorter gate durations, higher fidelities, and faster convergence than the optimization towards specific two-qubit gates. Performing optimization in Liouville space in order to properly take into account decoherence poses significant numerical challenges, as the dimension scales quadratically compared to Hilbert space. However, it can be shown that for a unitary target, the optimization only requires propagation of at most three states, instead of a full basis of Liouville space. Both for the example of trapped Rydberg atoms, and for superconducting qubits, the successful optimization of quantum gates is demonstrated, at a significantly reduced numerical cost than was previously thought possible. Together, the results of this thesis point towards a comprehensive framework for the optimization of robust quantum gates, paving the way for the future realization of quantum computers.