Blending the Material and Digital World for Hybrid Interfaces

The development of digital technologies in the 21st century is progressing continuously and new device classes such as tablets, smartphones or smartwatches are finding their way into our everyday lives. However, this development also poses problems, as these prevailing touch and gestural interfaces often lack tangibility, take little account of haptic qualities and therefore require full attention from their users. Compared to traditional tools and analog interfaces, the human skills to experience and manipulate material in its natural environment and context remain unexploited. To combine the best of both, a key question is how it is possible to blend the material world and digital world to design and realize novel hybrid interfaces in a meaningful way. Research on Tangible User Interfaces (TUIs) investigates the coupling between physical objects and virtual data. In contrast, hybrid interfaces, which specifically aim to digitally enrich analog artifacts of everyday work, have not yet been sufficiently researched and systematically discussed. Therefore, this doctoral thesis rethinks how user interfaces can provide useful digital functionality while maintaining their physical properties and familiar patterns of use in the real world. However, the development of such hybrid interfaces raises overarching research questions about the design: Which kind of physical interfaces are worth exploring? What type of digital enhancement will improve existing interfaces? How can hybrid interfaces retain their physical properties while enabling new digital functions? What are suitable methods to explore different design? And how to support technology-enthusiast users in prototyping? For a systematic investigation, the thesis builds on a design-oriented, exploratory and iterative development process using digital fabrication methods and novel materials. As a main contribution, four specific research projects are presented that apply and discuss different visual and interactive augmentation principles along real-world applications. The applications range from digitally-enhanced paper, interactive cords over visual watch strap extensions to novel prototyping tools for smart garments. While almost all of them integrate visual feedback and haptic input, none of them are built on rigid, rectangular pixel screens or use standard input modalities, as they all aim to reveal new design approaches. The dissertation shows how valuable it can be to rethink familiar, analog applications while thoughtfully extending them digitally. Finally, this thesis’ extensive work of engineering versatile research platforms is accompanied by overarching conceptual work, user evaluations and technical experiments, as well as literature reviews.Die Durchdringung digitaler Technologien im 21. Jahrhundert schreitet stetig voran und neue Geräteklassen wie Tablets, Smartphones oder Smartwatches erobern unseren Alltag. Diese Entwicklung birgt aber auch Probleme, denn die vorherrschenden berührungsempfindlichen Oberflächen berücksichtigen kaum haptische Qualitäten und erfordern daher die volle Aufmerksamkeit ihrer Nutzer:innen. Im Vergleich zu traditionellen Werkzeugen und analogen Schnittstellen bleiben die menschlichen Fähigkeiten ungenutzt, die Umwelt mit allen Sinnen zu begreifen und wahrzunehmen. Um das Beste aus beiden Welten zu vereinen, stellt sich daher die Frage, wie neuartige hybride Schnittstellen sinnvoll gestaltet und realisiert werden können, um die materielle und die digitale Welt zu verschmelzen. In der Forschung zu Tangible User Interfaces (TUIs) wird die Verbindung zwischen physischen Objekten und virtuellen Daten untersucht. Noch nicht ausreichend erforscht wurden hingegen hybride Schnittstellen, die speziell darauf abzielen, physische Gegenstände des Alltags digital zu erweitern und anhand geeigneter Designparameter und Entwurfsräume systematisch zu untersuchen. In dieser Dissertation wird daher untersucht, wie Materialität und Digitalität nahtlos ineinander übergehen können. Es soll erforscht werden, wie künftige Benutzungsschnittstellen nützliche digitale Funktionen bereitstellen können, ohne ihre physischen Eigenschaften und vertrauten Nutzungsmuster in der realen Welt zu verlieren. Die Entwicklung solcher hybriden Ansätze wirft jedoch übergreifende Forschungsfragen zum Design auf: Welche Arten von physischen Schnittstellen sind es wert, betrachtet zu werden? Welche Art von digitaler Erweiterung verbessert das Bestehende? Wie können hybride Konzepte ihre physischen Eigenschaften beibehalten und gleichzeitig neue digitale Funktionen ermöglichen? Was sind geeignete Methoden, um verschiedene Designs zu erforschen? Wie kann man Technologiebegeisterte bei der Erstellung von Prototypen unterstützen? Für eine systematische Untersuchung stützt sich die Arbeit auf einen designorientierten, explorativen und iterativen Entwicklungsprozess unter Verwendung digitaler Fabrikationsmethoden und neuartiger Materialien. Im Hauptteil werden vier Forschungsprojekte vorgestellt, die verschiedene visuelle und interaktive Prinzipien entlang realer Anwendungen diskutieren. Die Szenarien reichen von digital angereichertem Papier, interaktiven Kordeln über visuelle Erweiterungen von Uhrarmbändern bis hin zu neuartigen Prototyping-Tools für intelligente Kleidungsstücke. Um neue Designansätze aufzuzeigen, integrieren nahezu alle visuelles Feedback und haptische Eingaben, um Alternativen zu Standard-Eingabemodalitäten auf starren Pixelbildschirmen zu schaffen. Die Dissertation hat gezeigt, wie wertvoll es sein kann, bekannte, analoge Anwendungen zu überdenken und sie dabei gleichzeitig mit Bedacht digital zu erweitern. Dabei umfasst die vorliegende Arbeit sowohl realisierte technische Forschungsplattformen als auch übergreifende konzeptionelle Arbeiten, Nutzerstudien und technische Experimente sowie die Analyse existierender Forschungsarbeiten

Osmotic- and Stroke-Induced Blood-Brain Barrier Disruption Detected by Manganese-Enhanced Magnetic Resonance Imaging

Manganese (Mn2+) has recently gained acceptance as a magnetic resonance imaging (MRI) contrast agent useful for generating contrast in the functioning brain. The paramagnetic properties of Mn2+, combined with the cell\u27s affinity for Mn2+ via voltage-gated calcium channels, makes Mn2+ sensitive to cellular activity in the brain. Compared with indirect measures of brain function, such as blood oxygenation level dependent (BOLD) functional MRI, manganese-enhanced MRI (MEMRI) can provide a direct means to visualize brain activity. MEMRI of the brain typically involves osmotic opening of the blood-brain barrier (BBB) to deliver Mn2+ into the interstitial space prior to initiation of a specific neuronal stimulus. This method assumes that the BBB-disruption process itself does not induce any apparent stimuli or cause tissue damage that might obscure any subsequent experimental observations. However, this assumption is often incorrect and can lead to misleading results for particular types of MRI applications. One aspect of these studies focused on characterizing the confounding effects of the BBB-opening process on MRI measurements typically employed to characterize functional activity or disease in the brain (Chapters 4 and 5). The apparent diffusion coefficient (ADC) of tissue water was found to decrease (relative to the undisrupted contralateral hemisphere) following BBB opening, obscuring similar ADC changes associated with ischemic brain tissue following stroke. Brain regions exhibiting reduced ADC values following osmotic BBB disruption also experienced permanent tissue damage, as validated by histological measures in the same vicinity of the brain. Non-specific MEMRI-signal enhancement was also observed under similar conditions and was found to be correlated to regions with BBB opening as verified by Evans Blue histological staining. In this case, MEMRI may prove to be a useful alternative for monitoring BBB-permeability changes in vivo. MEMRI was also investigated as a method for visualizing regions of BBB damage following ischemic brain injury (Chapter 6). BBB disruption following stroke has been investigated using gadolinium-based MRI contrast agents (e.g., Gd-DTPA). However, as an extracellular MRI contrast agent, Gd-DTPA is not expected to provide information regarding cell viability or function as part of MR image contrast enhancement. By comparison, brain regions with ischemia-induced BBB damage, and blood-flow levels sufficient to deliver Mn2+, show MEMRI-signal enhancement that correlates to regions with tissue damage as verified by histological staining. This approach should allow us to better understand the factors responsible for ischemia-induced BBB damage. Furthermore, MEMRI should be a useful tool for monitoring therapeutic interventions that might mitigate the damage associated with BBB disruption following stroke

Improvements in Multi-tool Surveying Efficiency for Archaeological Geophysics

Conventional archaeological excavation methods are, by nature, extremely invasive and result in study areas being irrevocably altered for the sake of research. For this reason, near-surface geophysical techniques have been incorporated into archaeological investigations to aid in determining the locations of buried features with minimal damage to the site. The objective of this research was to perform a geophysical survey at an archaeological site on the Akrotiri Peninsula in Cyprus to locate evidence of a Roman naval base and to develop an improved data management workflow that will improve the usefulness of geophysical data to archaeologists. An on-site archaeologist determined three separate locations as areas of interest to be surveyed using both ground penetrating radar (GPR) and magnetic gradiometry. He then chose site boundaries based in part by the presence of natural obstacles (i.e., bushes, protruding rock, etc.) and by the lateral extent of surface remains. We collected data with transects running perpendicular to the predicted orientation of features. A total of fifty-two, 10m by 10m grids were surveyed using both geophysical techniques. The geophysics team processed data using ArcheoSurveyor (magnetic gradiometry) and EKKO Mapper (GPR) in order to create maps of the study sites in Google Earth for later use by archaeologists. Using GPS data, we imported images into Google Earth as overlays and accurately georeferenced them. We added Placemarks where we interpreted subsurface features and waypoints for the features were exported as an XML file for further manipulation in Excel. Two of the sites yielded significant results, as many subsurface structures were detected in spite of little or no surface evidence

Intraoperative Navigation Systems for Image-Guided Surgery

Recent technological advancements in medical imaging equipment have resulted in a dramatic improvement of image accuracy, now capable of providing useful information previously not available to clinicians. In the surgical context, intraoperative imaging provides a crucial value for the success of the operation. Many nontrivial scientific and technical problems need to be addressed in order to efficiently exploit the different information sources nowadays available in advanced operating rooms. In particular, it is necessary to provide: (i) accurate tracking of surgical instruments, (ii) real-time matching of images from different modalities, and (iii) reliable guidance toward the surgical target. Satisfying all of these requisites is needed to realize effective intraoperative navigation systems for image-guided surgery. Various solutions have been proposed and successfully tested in the field of image navigation systems in the last ten years; nevertheless several problems still arise in most of the applications regarding precision, usability and capabilities of the existing systems. Identifying and solving these issues represents an urgent scientific challenge. This thesis investigates the current state of the art in the field of intraoperative navigation systems, focusing in particular on the challenges related to efficient and effective usage of ultrasound imaging during surgery. The main contribution of this thesis to the state of the art are related to: Techniques for automatic motion compensation and therapy monitoring applied to a novel ultrasound-guided surgical robotic platform in the context of abdominal tumor thermoablation. Novel image-fusion based navigation systems for ultrasound-guided neurosurgery in the context of brain tumor resection, highlighting their applicability as off-line surgical training instruments. The proposed systems, which were designed and developed in the framework of two international research projects, have been tested in real or simulated surgical scenarios, showing promising results toward their application in clinical practice

Statische und dynamische Magnetfelder für die Nanopartikel-basierte zielgerichtete Wirkstofffreisetzung

Although medicine has made great progress in the last centuries and decades, it is still facing basic challenges that make doctors fail to efficiently and successfully treat the continuously emerging diseases and ailments due to ageing, industrialization, pollution and resulting biological mutations. In this context, the systemic chemotherapeutic treatment of cancer seems to be one of the most fitting examples for the wide gap between the usually followed medical approach and the theoretically optimal solution. Extrapolating from in vitro experiments and mouse models to humans, treating children as “miniaturized” adults when analyzing therapeutic effects, estimating drug doses based on relatively coarse processes like up scaling on weight, volume or area, and flooding the human body with drugs to solely achieve a minimal effect at the ailment site are just few examples for improvement needs in medical methods. One of the most promising approaches intended to bring more specificity and precision into the therapeutic toolbox is the directed delivery of drugs, already prophesized and described one hundred years ago by the German immunologist and Nobel Laureate in Medicine (1908) Paul Ehrlich (1854-1915) as the “magic bullet” principle. It is a visionary medical method in which active agents -such as drugs or antibodies- are guided within the human body and brought to bind directly and exclusively to their biological target. This approach was triggered and has been remarkably promoted by the introduction and continuous development of nano-sized medical systems since the 1950s, and is expected to experience a real breakthrough by the clinical validation of the so called “Magnetic Drug Targeting”. According to this technique, magnetically active nanoparticles are coated with a therapeutically active biomaterial and guided through external magnetic fields in the natural transport pathways of the body, then retained and concentrated at target sites where the biologically active load is set free. The delivered dose is augmented, side effects are lowered and the overall therapeutic efficiency is enhanced. Especially for cancer treatment, the magnetically guided drug delivery represents a huge potential. In fact, conventional chemotherapy methods are used systemically and succeed in best cases in delivering only a fractional amount of the drug to the target sites, while the rest is absorbed by the healthy tissue of the treated body. This is so inefficient that dose levels of about 50 to 100-fold those of conventional doses need to be administered to achieve cures of cancer cells (T. A. Connors 1995). As a result, blood filtering and trafficking organs, such as the liver, the kidneys, the spleen and most importantly the heart, are the direct victims of the highly toxic substances used in chemotherapy. Even the apparently more gentle approach of applying the maximum tolerated dose at defined intervals -in order to avoid toxicity- can unintentionally lead to a chemoresistance of the tumor (C. Damyanov 2009). These shortcomings of the chemical therapy further aggravate the fact that cancer is still the worldwide deadliest disease, with an upward trend. For instance, around 25 % of all registered death cases in the European Union are reported by the World Health Organization to be caused by tumors. Despite the development of advanced anti-cancer medicine, it still remains a difficult challenge to keep costs at an affordable level. For that reason, new and more efficient cancer treatment methods with higher success rates and lower side effects and costs are urgently needed and would help physicians cope with an ever ageing world population. In this work, we report improvements achieved in the understanding and control of the magnetically targeted drug delivery, mainly realized by the consideration of time issues and the investigation of dynamic magnetic fields. New approaches to assess the magnetic behavior of nanoparticles in suspensions as well as an advanced examination of the lung drug targeting and the mechanisms of cellular drug uptake after successful localized delivery represent the major achievements compiled in this manuscript. The registered improvements are an important contribution to the further development of the idea of directed therapies promoted by the emerging nanomedicine. This modern medicine is expected to provide techniques that can act on a cellular and even sub-cellular level, treating ailments with considerably more accuracy. Gradually, modern diagnostic and therapeutic techniques should elevate us slowly to the point where we can start thinking more in terms of real “regenerative” medicine. That means, we should be able to precisely and directly address pathologic tissues, save cells and organs, repair and heal them, rather than extinguish them.Mehr als hundert Jahre nach dem Tod von Paul Ehrlich, dem bedeutendsten deutschen Immunologen, verfolgt die "Nachwelt" noch mit großen Schritten eine seiner wichtigsten Visionen, die er während seiner Arbeiten zur Behandlung der Syphilis entwickelte: eine „Zauberkugel“ (magic bullet), die einen gegebenen krankmachenden Erreger gezielt abtöten kann. Ganz nach diesem noch -mehr denn je- aktuellen Prinzip, entwickeln Forscher heutzutage weltweit neue Methoden, um nicht nur Krankheitserreger, sondern auch befallene Gewebe, spezifisch zu behandeln. In den letzten Jahren entwickelte sich dadurch die Medizin von der konventionellen Anwendung, über die personalisierte Behandlung, wo die genetische Information eines jeden Patienten präventiv untersucht werden kann und die Ergebnisse zur Auswahl und Anpassung der Therapie-Art herangezogen werden, bis hin zur "Nanomedizin", einer neuen Ära der Arzneimittel-Konzipierung, -Synthese, -Dosierung und -Verabreichung, die Therapien auf zellulärer und sub-zellulärer Ebene ermöglichen sollte. Mediziner sind heutzutage weit entfernt von der Darstellung von Christian Friedrich Hebbel (18.03.1813 - 13.12.1863), dass "ein Arzt eine Aufgabe hat, als ob ein Mensch in einem dunklen Zimmer in einem Buche lesen sollte". Sie sind in der Lage, durch die Integration der Nanotechnologie im biomedizinischen Bereich, Gewebe und Zellen, die durchschnittliche Dimensionen von 10 µm haben, mit Nanosystemen im Submikrometer-Bereich zu adressieren und gezielt zu behandeln. In diesem Rahmen präsentiert sich das Magnetic Drug Targeting (MDT) als besonders wirksamer Therapie-Ansatz. Dabei werden Wirkstoff-beladene magnetische Nanopartikel über externe Magnetfelder im Körper geführt und an einem gegebenen Krankheitsort lokal angereichert. Die verabreichte Wirkdosis wird dadurch erhöht, Nebeneffekte minimiert. Besonders in der Krebsbekämpfung verspricht dieser Ansatz hohe Erfolgsquoten und eine Reduzierung der ohnehin enormen Chemo- und Radiotherapie-Kosten, die meistens einen bremsenden Effekt auf die Entwicklung und Verbreitung zahlreicher Behandlungsmethoden haben. An dieser Stelle sei daran erinnert, dass Krebs nach wie vor die weltweit wichtigste Todesursache ist, an der schätzungsweise 11.5 Millionen Weltbewohner im Jahre 2030 sterben werden, was einem Anstieg von 45% zum Jahre 2007 darstellt. Die zielgerichtete Arzneimittel-Applikation, zu Englisch "Directed Drug Delivery", soll hierfür Lösungen anbieten, die Tumore spezifisch angreifen und ausschalten können. Durch eine magnetische Lenkung und Anreicherung wird dieses Verfahren weiter optimiert. Die somit entstehende MDT-Methode eignet sich für Anwendungen in der Blutbahn, sowie in den Atemwegen von Patienten, mit entsprechenden Anpassungen. Entscheidend ist hierbei vor Allem das eingesetzte Magnetfeld, in Bezug auf Amplitude, Homogenität und Dynamik. In zahlreichen wissenschaftlichen Arbeiten, wurden bisher Erfolg versprechende Ergebnisse präsentiert, die überwiegend durch die Manipulation und Aufkonzentrierung von Nanopartikel-Wirkstoff-Komplexen mit statischen Magnetfeldern realisiert wurden. Eine hierzu komplementäre Betrachtung mit dynamischen Magnetfeldern wird in dieser Arbeit untersucht. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts wurden Ansätze mit statischen und dynamischen Magnetfeldern zur Verbesserung des Magnetic Drug Targeting theoretisch überprüft, simulativ validiert und systemtechnisch umgesetzt. Nach einer ausführlichen Untersuchung der Nanopartikel-Eigenschaften, die den MDT-Effekt überhaupt ermöglichen und besonders beeinflussen, wurde der Anreicherungsprozess unter Magnetkraftwirkung modelliert und ein für Anwendungen in der Blutbahn optimiertes Magnetsystem simuliert, konstruiert und bei in-vivo-Versuchen eingesetzt. Dadurch konnte eine aktive und vor Allem reproduzierbare Retention von beladenen Nanopartikel-Komplexen in den Arterien und Venen der Rückenhaut einer Maus verzeichnet werden

Information archival and reuse: drawing conclusions from the past

Over the last few decades design researchers have put forward theories and proposed methodologies that increase the chance that a design team will reliably arrive at the optimal solution to a given design problem. Studies, however, bear out that theories and methodologies alone will not guarantee an optimal or even good design solution. Instead, a breadth of knowledge across multiple engineering domains and the time and tools to thoroughly evaluate the design space are as important as any prescriptive design method. This work presents a set of underlying engineering technologies to define, archive and reuse product design knowledge to provide a breadth of domain knowledge for designers and to leverage artificial intelligence approaches to thoroughly, if not exhaustively, search the design space. Specifically, a database schema and entry application for a prototype design repository of product design knowledge is formulated and implemented. A real-time, knowledge basedriven, function-based conceptual design algorithm known as the morphological search is formulated to extract information from the design repository and support a thorough exploration of the design space for solutions. Currently, the Design Engineering Lab\u27s prototype Design Repository contains design knowledge for over 125 products and has over 300 user accounts representing 17 different countries. With the foundational repository elements in place, artificial intelligence methods are employed to generate a natural language to formal component naming terms thesaurus as part of a novel form-initiated concept generation approach. The approach, known as Form Follows Form, automatically generates a functional model based upon an initial component solution seed to a design problem. With a functional model in hand, established automated concept generation algorithms are employed to return more complete and varied solutions following a thorough search of the design space --Abstract, page iv

Advanced interfaces for biomedical engineering applications in high- and low field NMR/MRI

Das zentrale Thema dieser Dissertation ist die Magnetresonanz(MR)-Sicherheit und MR-Kompatibilität von Bauelementen. Der Öffentlichkeit bekannt ist diese Thematik im Zusammenhang mit kommerziellen Implantaten. Die Gefahren, die sich aus den Wechselwirkungen zwischen dem MR-Tomografen (MRT) und dem Implantat ergeben, hindern viele Patienten daran, eine Untersuchung mittels MRT durchführen zu lassen. MR-Kompatibilität spielt jedoch nicht nur beim Design und der Kennzeichnung von Implantaten eine wichtige Rolle, sondern auch bei der Entwicklung von Bauelementen für die MR-Hardware. Beide Themen, Implantatinteraktionen und Hardware-Design, bilden fundamentale Aspekte dieser Arbeit. Der erste Teil befasst sich mit MRT-Wechselwirkungen von Implantaten. Die Ergebnisse einer umfangreichen Literaturrecherche zeigen, dass dringend belastbare Daten benötigt werden, um die durch MRT ausgelösten Schwingungen von Implantaten besser verstehen zu können. Dies gilt insbesondere für Vibrationen in viskoelastischen Umgebungen wie dem Gehirn. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuartiges Messsystem vorgestellt, mit dem sich Schwingungen bei Standard-MRT-Aufnahmen und mit hoher Genauigkeit quantitativ messen lassen. Durch die Verwendung einer amplituden- und frequenzgesteuerten externen Stromversorgung werden die Übertragungsfunktionen implantatartiger Strukturen in viskoelastischen Umgebungen präzise bestimmt. Basierend auf den erfassten Daten wird eine Korrelation zwischen den resultierenden Schwingungsamplituden und den Zeitparametern der Aufnahmesequenz hergestellt und experimentell verifiziert. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass die untersuchten Strukturen ein unterdämpftes Verhalten zeigen und damit resonant schwingen können. Darüber hinaus wird eine neue Kennzahl eingeführt, anhand derer die Wechselwirkung des Implantats auf Vibrationen klassifiziert werden können. Die Kennzahl gibt das normierte induzierte Drehmoment an, und ermöglicht eine einfache Berechnung des maximal zu erwartenden Drehmomoments auf jedem MRT-System. Somit können die zu erwartenden Maximalamplituden unkompliziert und für jedes System direkt ermittelt werden. Eine anderes Forschungsgebiet, die in-situ-Kernspinspektroskopie und -MRT von biologischen Untersuchungsobjekten im Hochfeld, erfordert eine neuartige MR-Messsonde sowie verbesserte MR-kompatible Substrate für die Zellkultivierung. Eine MR-Sonde mit flexibler Schnittstelle wurde entwickelt. Die endgültige Version ist mit zwei HF-Kanälen und einer Gradientenschnittstelle für flüssiggekühlte Gradienten ausgestattet. Ein Leistungsbewertung wurde mittels Standard-NMR/MRT-Experimenten durchgeführt, die eine Linienbreite von 0,5 Hz und ein mit kommerziellen Messsystem vergleichbares Signal-Rausch-Verhältnis ergaben. Der Vorteil liegt in dem integrierten Durchführungssystem innerhalb des mechanischen Rahmens. Dies bietet eine einfache Methode, zur spezifischen Erweiterung der Messsonde unter Verwendung zusätzlicher elektrischer, optischer und fluidischer Versorgungsleitungen. Auf dieser Basis können spezifische, komplexe experimentelle Hochfeld-NMR/MRT-Aufbauten in kurzer Zeit realisiert werden, ohne Bedarf nach maßgeschneiderten, teuren Sonden. Als Referenz werden zwei Messaufbauen präsentiert, bei ersterem wird die Sonde für ein Öl-Wasser-Fluidikexperiment und bei dem zweitem, in einem wasserstoffbasierten Hyperpolarisationsexperiment eingesetzt. Darüber hinaus wird ein neuartiges, MR-kompatibles 3D-Zellsubstrat basierend auf Kohlenstoff vorgestellt, das erfolgreich auf Zellwachstum und MR-Bildgebung getestet wurde. Die MRT dient des Weiteren als Analysewerkzeug, um die Erhaltung der Morphologie während der Pyrolyse zu untersuchen und zu bestätigen. Das Herstellungsprotokoll ist auf andere Vorläuferpolymere anwendbar, die den Weg zu einer Vielzahl von lithografisch strukturierten 3D-Gerüsten ebnen

Practical, appropriate, empirically-validated guidelines for designing educational games

There has recently been a great deal of interest in the potential of computer games to function as innovative educational tools. However, there is very little evidence of games fulfilling that potential. Indeed, the process of merging the disparate goals of education and games design appears problematic, and there are currently no practical guidelines for how to do so in a coherent manner. In this paper, we describe the successful, empirically validated teaching methods developed by behavioural psychologists and point out how they are uniquely suited to take advantage of the benefits that games offer to education. We conclude by proposing some practical steps for designing educational games, based on the techniques of Applied Behaviour Analysis. It is intended that this paper can both focus educational games designers on the features of games that are genuinely useful for education, and also introduce a successful form of teaching that this audience may not yet be familiar with

On the development of a cybernetic prosthetic hand

The human hand is the end organ of the upper limb, which in humans serves the important function of prehension, as well as being an important organ for sensation and communication. It is a marvellous example of how a complex mechanism can be implemented, capable of realizing very complex and useful tasks using a very effective combination of mechanisms, sensing, actuation and control functions. In this thesis, the road towards the realization of a cybernetic hand has been presented. After a detailed analysis of the model, the human hand, a deep review of the state of the art of artificial hands has been carried out. In particular, the performance of prosthetic hands used in clinical practice has been compared with the research prototypes, both for prosthetic and for robotic applications. By following a biomechatronic approach, i.e. by comparing the characteristics of these hands with the natural model, the human hand, the limitations of current artificial devices will be put in evidence, thus outlining the design goals for a new cybernetic device. Three hand prototypes with a high number of degrees of freedom have been realized and tested: the first one uses microactuators embedded inside the structure of the fingers, and the second and third prototypes exploit the concept of microactuation in order to increase the dexterity of the hand while maintaining the simplicity for the control. In particular, a framework for the definition and realization of the closed-loop electromyographic control of these devices has been presented and implemented. The results were quite promising, putting in evidence that, in the future, there could be two different approaches for the realization of artificial devices. On one side there could be the EMG-controlled hands, with compliant fingers but only one active degree of freedom. On the other side, more performing artificial hands could be directly interfaced with the peripheral nervous system, thus establishing a bi-directional communication with the human brain