Comets: Gases, ices, grains and plasma

The program and abstracts of the 97 papers delivered at the colloquium are presented. Cometary nuclei, comet dust, the coma, ion tails, several comet missions, and cometary origin and evolution were discussed

Phase-Field Modelling of Welding and of Elasticity-Dependent Phase Transformations

Ein Phasenfeldmodell zur Simulation des Kornwachstums, während eines Elektronenstrahlschweißvorgangs, wird präsentiert. Dazu wird das makroskopische Temperaturfeld in der Schweißprobe mit den vereinfachenden Annahmen als quasi-stationär vorausgesetzt und unter der Anwendung des Superpositionsprinzips analytisch bestimmt. Der analytische Ausdruck wird mit einer Funktion in geschlossener Form approximiert, um in der Simulation des Kornwachstums als Eingabe zu fungieren. Bei der Benutzung einer temperaturabhängigen Korngrenzenmobilität in der Simulation sind die Vergröberungsprozesse in der Schweißnaht sowie in der Wärmeeinflusszone wiedergegeben. Bei der Erweiterung des Phasenfeldmodells um eine Nukleationsmethode werden unterschiedliche Muster der Kornmorphologie qualitativ abgebildet. Der Hauptfokus dieser Arbeit liegt jedoch auf der quantitativen Modellierung der Phasenübergänge, bei denen elastische Verformung eine führende oder eine grundsätzliche Rolle spielt, zum Beispiel zur weiteren Beschreibung des elasto-plastischen Verhaltens. Die Theorie zur Herleitung der relevanten elastischen Felder basiert auf den mechanischen Sprungbedingungen, die an einer kohärenten Korngrenze im Gleichgewicht gelten. Es wird kurz auf die existierenden Modelle und besonders auf unsere Methode aus [1] eingegangen und die Schwächen der Modelle diskutiert. Zur Herleitung eines quantitativen Phasenfeldmodells, das die verbleibenden Defekte beseitigt, wird ein neuer Formalismus vorgestellt. Mit den homogenen Variablen innerhalb des diffusen Übergangsbereichs werden die elastischen Energien zweier benachbarter Phasen thermodynamisch konsistent interpoliert. Die resultierende Verformungsenergie wird in Abhängigkeit von den Systemgrößen hergeleitet, sodass die Cauchy’sche Spannung sowie die Konfigurationskraft unter der Anwendung des Variationsprinzips formuliert werden. Für die numerische Implementierung des Modells wird die Voigt’sche Notation der Dehnung und der Cauchy’schen Spannung benutzt. Folglich werden alle relevanten Felder explizit für diese Schreibweise angegeben. Für elastisch isotrope Phasen ergeben sich weitere signifikante rechnerische Vereinfachungen, die für eine effiziente numerische Umsetzung unabdingbar sind. Schließlich wird eine Erweiterung des Zwei-Phasen-Modells für Multi-Phasen präsentiert. Das formulierte Modell wird detailliert im Abgleich mit der analytischen Lösung für das mechanische und thermodynamische Gleichgewicht verifiziert. Hierzu wird das Phasenfeldmodell um das chemische System erweitert und die Bedingungen für einen Gleichgewichtszustand explizit angegeben. Der elastische Eshelby-Einschluss in einer umgebenden elastischen Matrix ist ein ideales Referenzsystem, für welches unterschiedliche Simulationsszenarien mit einem überschaubaren rechnerischen Aufwand umgesetzt werden können. Für neun unterschiedliche Testfälle werden Simulationen mit variierenden Modellparametern durchgeführt und anhand der Simulationsergebnisse werden die Modelle beurteilt. Im Unterschied zu den Ergebnissen für das vorhergehende Modell aus [1] koinzidieren die Simulationsergebnisse für das in dieser Arbeit präsentierte Phasenfeldmodell mit den theoretischen Vorgaben. [1] D. Schneider, O.Tschukin, A. Choudhury, M. Selzer, T. B ̈ohlke, B. Nestler. Phase-field elasticity model based on mechanical jump conditions. Computational Mechanics, 55(5):887–901, 2015

Membrane mechanics governs cell mechanics in epithelial cell: how surface area regulation ensures tension homeostasis

Die Plasmamembranspannung von eukaryotischen Zellen soll maßgeblich zur Regulation von zellulären Prozessen wie der Zellmigration, Mitose, Endo- und Exozytose, Membranreparatur, Osmoregulierung und Zellspreiten beitragen, welche zu einer Veränderung der Membranfläche und ihrer Deformation führt. In dieser Arbeit wurde die epitheliale Zelllinie MDCK II (Madin-Darby Canine Kidney) benutzt, um spannungsgesteuerte Oberflächenregulierung zu untersuchen. Indentationsexperimente kombiniert mit dem Herausziehen von Membrannanoröhren wurden mit Hilfe des Rasterkraftmikroskops (Atomic Force Microskope, AFM) durchgeführt, um lokale Variationen in der Membranspannung und überschüssiger Membranfläche als Funktion von äußeren Reizen abzuschätzen. Die verwendeten externen Stimuli beinhalten eine Veränderung der Funktionalität des Actomyosin-Cortexes durch die Wirkung von Blebbistatin und Cytochalasin D, sowie die Manipulation der Zytoskelett-Membran Adhäsionspunkte durch Einzel-Mikroinjektion. Die Injektion von Neomycin verhindert die Anbindung von ERM-Proteinen an das Lipid Phosphatidylinositol-(4,5)-bisphosphat (PIP2) und bewirkt somit die Abkopplung des Zytoskeletts von der Plasmamembran. Als Gegenexperiment diente die Injektion des Lipids PIP2 selbst, welches zur Erhöhung der Anzahl der Zytoskelett-Membran Adhäsionspunkte führte. Weiterhin wurden die als Membranreservoire dienenden Mikrovilli durch den Entzug von Cholesterol entfernt. Auswirkung auf das Vorhandensein von Membranreservoiren hat ebenfalls die Veränderung des osmotischen Drucks innerhalb der Zellen. Zusätzlich wurden die elastischen Eigenschaften von apikalen Zellmembran-Fragmenten von konfluenten MDCK II Zellen untersucht, welche Aufschluss über die intrinsischen Membraneigenschaften ohne den Einfluss des Zytosols und Zytoskeletts geben konnten. Abschließend wurde die Mechanik von adhärierenden und spreitenden Zellen untersucht. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Plasmamembran, bestehend aus einer Phospholipiddoppelschicht, lateral schwer ausdehnbar ist aufgrund ihrer flüssig-kristallinen Natur. Durch das Vorhandensein von dynamischen Membranreservoiren wie Mikrovilli, die schnell auf Veränderungen der Membranspannung durch Membranhomöostase reagieren, werden zellulare Prozesse wie die Zellmotilität oder die Anpassung an osmotischen Stress ermöglicht. In der vorliegenden Arbeit gelang es gleichzeitig, die Membranspannung und die Verfügbarkeit von Membranfläche von adhärenten konfluenten als auch von adhärierenden und spreiten Zellen zu messen. Die durchgeführten Experimente ergaben ein detailliertes Bild wie sich die zelluläre Oberflächenregulierung in der Membranmechanik widerspiegelt

Free-Radical Polymerization of Polystyrene Using Microreaction Technology

La technologie de microréaction chimique est un sous domaine de l'ingénierie des procédés qui se concentre sur l'étude des réactions chimiques réalisées à l'intérieur de systèmes miniaturisés communément appelé microréacteurs. Les microréacteurs sont essentiellement des mélangeurs statiques miniaturisés fonctionnant en mode continu pour écoulements entraînés par la pression. Ils peuvent être constitués d'un ou plusieurs microcanaux parallèles de longueurs différentes de l'ordre des micromètres. Les microréacteurs se différencient fortement des réacteurs de synthèse traditionnels par plusieurs caractéristiques clés reliés à l’intensification des procédés telles que des plus élevés gradients de concentration et température, et une réduction du temps de mélange, une capacité de transfert de chaleur plus élevé, une augmentation de la surface d’échange surface/volume, etc. Les microréacteurs attirent de ce fait de plus en plus l’attention de la communauté scientifique qui y voit l’opportunité d’accéder à des voies de synthèse jusqu’alors inaccessibles dans les réacteurs classiques. Il existe actuellement de nombreux microréacteurs disponibles commercialement conçus pour atteindre des conditions de haute pression et température. Ces microréacteurs peuvent être produits en masse par des techniques de fabrication de pointe. Par conséquent, de nouvelles applications sont envisagées afin de les utiliser comme outils de production alternatifs dans différents domaines de l'ingénierie. Un exemple serait l’utilisation de cette technologie pour la production de polymères. Les avantages présentés par les microréacteurs en termes de contrôle de température et conditions de mélange sont non négligeables lorsque l’on considère les réactions de polymérisation, généralement fortement exothermiques et extrêmement sensibles en termes de mélange des réactifs. Malgré cela, la technologie de microréaction n'a été que très peu utilisée dans les processus de polymérisation en continu. Pour faire l’évaluation du vrai potentiel de ce type de technologie la caractérisation hydrodynamique du microréacteur est une étape essentielle. Dans ce contexte, la distribution du temps de séjour (DTS) est un outil majeur pour caractériser l’hydrodynamique d’un réacteur chimique quelque soit l’échelle. La DTS renseigne sur le comportement d’un écoulement, sur les processus de mélange et leur interaction avec la cinétique des réactions survenant à l'intérieur d’un réacteur. Le temps passé par une molécule sous les conditions de réaction dans un système aura une incidence sur la probabilité de cette dernière de réagir. De ce fait, la mesure, l'interprétation et la modélisation de la DTS sont des aspects importants pour la prédiction de la composition finale d’un système impliquant une réaction chimique. On note toutefois, que dans la plupart des cas sur la technologie de microréaction, l’étape de caractérisation a été menée sur des équipements de laboratoire destinés à des fins de visualisation et non conçus pour l’opération dans des conditions de haute pression et température. Seuls quelques rapports expérimentaux existent sur la caractérisation des unités commerciales de microréaction et les informations sur leur utilisation en tant que réacteur de polymérisation sont rares. On comprend de ce fait pourquoi des études de faisabilité sont nécessaires afin de déterminer dans quelle mesure la technologie de microréaction peut être appliquée pour les réactions polymérisation. Pour de telles applications, la distribution du débit total dans chacun des microcanaux peut affecter le transfert de chaleur et l'efficacité du mélange modifiant les conditions de réactions pendant la polymérisation, jouant ainsi rôle sur les propriétés finales du produit. L'objectif général de ce projet est d’évaluer la faisabilité d’utiliser la technologie de microréaction pour la production en mode continu de polymère tout en développant une meilleure compréhension de l'écoulement et des caractéristiques de mélange pour la conception de microréacteur le plus performant. La réaction de polymérisation du monomère styrène en utilisant des initiateurs de peroxyde sera utilisée comme système de réaction. La méthodologie de ce projet est planifiée pour s’adresser à l’hydrodynamique et à la performance du mélange, à la capacité de transfert de chaleur et au niveau de conversion de polymères obtenus dans deux microréacteurs ayant des mécanismes de micromélange différents et des échangeurs de chaleur intégrés. Les mécanismes de mélange considérés sont le mécanisme de division-et-recombinaison d’écoulements (SAR par ses sigles an anglais: split-and-recombination), et la subdivision d’écoulement par des structures interdigitaux; et ce qui sont les deux principes de mélange les plus fréquemment utilisés pour les microréacteurs commerciaux. -------- Microreaction technology is presently a well established subfield of the chemical microprocess engineering that focuses on the study of chemical reactions conducted inside of the structured channels of miniaturized flow vessels commonly referred as microreactors. Microreactors are essentially miniaturized static mixers that operate in continuous mode under pressure driven flow. They can be composed of single or multiple parallel microchannels of different lengths with typical cross sections in the micrometer range. The gradients of the physical properties of a material are increased when its linear dimensions are reduced and some of theses gradients, e.g. temperature and concentration, are particularly important for the control of chemical engineering processes. Consequently, microreaction technology has drawn great attention from the process engineering community during the last decades due to their theoretical benefits in terms of transport phenomena and due to their new envelope of reaction conditions otherwise inaccessible in macroscopic equipment. Presently, there is a large repertoire of commercially available microreactors designed and built for mechanical robust operation which can be mass produced by state-of-the-art manufacturing techniques. Therefore, new applications are being sought for existing microreaction equipment trying to incorporate them as alternative production tools into different fields of engineering. In this context polymer reaction engineering applications could fully exploit the benefits of microreaction conditions in terms of temperature control and fast mixing since polymerization reactions are usually highly exothermic and extremely sensitive to the level of mixing of the reactants. Nevertheless microreaction technology has not been extensively applied in continuous polymerization processes. Residence time distribution (RTD) theory is a major tool for reactor characterization at any scale level that provides substantial insight of flow behavior and mixing processes and their interaction with the kinetics of reactions occurring inside a flow vessel. The time a molecule spends under reaction conditions in a reactive system will affect its probability of reacting; therefore the measurement, interpretation and modeling of RTD are important aspects for the prediction of the final composition of the system. However, for the most part such type of characterization has been conducted on laboratory equipment intended for visualization purposes and not for more demanding operating conditions. Only few experimental reports exist on the characterization of commercial microreaction units and information about their capabilities as polymerization reactors is not available at all. In this context feasibility studies are necessary in order to determine the extent of applicability of microtechnology in the polymer reaction engineering field. For such applications, the flow distribution in microchannel networks can affect the heat transfer and mixing efficiency at the microscale modifying the working conditions accessible during polymerization which will consequently affect the final properties of the product. The general objective of this project is to test the feasibility of individual microreaction units to be used for continuous polymer production and to develop a better understanding of the flow and mixing characteristics of specific microreactor commercial designs. The peroxide initiated polymerization of styrene monomer will be used as reaction system. The methodology of this project is structured as to address the hydrodynamic and mixing performance, the heat transfer capabilities and the level of conversion of polymer achieved on two microreactors featuring different micromixing mechanisms with integrated heat exchangers. The mixing mechanisms considered are the split-and-recombination (SAR) mechanism and the multilamination of flow by means of interdigital structures which are two mixing principles most frequently featured by commercial microreactors

Active Brownian Particles. From Individual to Collective Stochastic Dynamics

We review theoretical models of individual motility as well as collective dynamics and pattern formation of active particles. We focus on simple models of active dynamics with a particular emphasis on nonlinear and stochastic dynamics of such self-propelled entities in the framework of statistical mechanics. Examples of such active units in complex physico-chemical and biological systems are chemically powered nano-rods, localized patterns in reaction-diffusion system, motile cells or macroscopic animals. Based on the description of individual motion of point-like active particles by stochastic differential equations, we discuss different velocity-dependent friction functions, the impact of various types of fluctuations and calculate characteristic observables such as stationary velocity distributions or diffusion coefficients. Finally, we consider not only the free and confined individual active dynamics but also different types of interaction between active particles. The resulting collective dynamical behavior of large assemblies and aggregates of active units is discussed and an overview over some recent results on spatiotemporal pattern formation in such systems is given.Comment: 161 pages, Review, Eur Phys J Special-Topics, accepte

Antibody-mediated initiation and lymphocyte-targeting therapies in CNS demyelinating disease

Multiple sclerosis is inflammatory central nervous system disease, characterised by areas of demyelination and axonal loss. The pathogenic mechanism behind the disease still remains unknown, however it is thought to be mainly T cell-mediated. Notwithstanding this, B cells have increasingly been recognized as key mediators of disease. This work focuses on three distinct characteristics of MS pathology in the animal model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). The first project focused on establishing inhibition of Bruton´s tyrosine kinase (BTK) as a novel therapeutic approach. BTK is centrally placed in B cell receptor (BCR) signalling. In a B cell-mediated EAE model, induced by injection of MOG protein, we observed that evobrutinib, a novel BTK inhibitor, dose-dependently reduced clinical disease. Evobrutinib inhibited BCR-mediated phenotypic maturation of B cells from follicular (FO) II to FO I and reduced activation of B cells and T cells. It diminished calcium mobilization and cytokine production after BCR stimulation in murine and human B cells. Investigating MS patients, we did not observe a difference in B cell frequency, BTK expression or phosphorylation of BTK after BCR stimulation. Taken together, we demonstrated that BTK inhibition (BTKi) is a promising new strategy to control pathogenic B cell activity in a model of CNS autoimmunity. The second project investigated the effects of long-term high dose vitamin D supplementation on the peripheral immune system and EAE severity. We observed clinical and histological deterioration of EAE after long-term high dose supplementation of vitamin D. Further investigations traced this effect to a secondary hypercalcemia, which in contrast to vitamin D, increased the activation and differentiation of T cells both in vitro and in vivo. Since MS patients are often continuously supplemented with vitamin D over long periods of time, our work cautions patients and clinicians to be attentive of potential side effects by hypercalcemia. The third project focused on antibodies in the initiation of disease. We investigated the capacity of myelin-reactive antibodies to facilitate encephalitogenic responses via opsonisation of CNS antigen. We observed that antibody production in the absence of B cells was sufficient to induce EAE in a transgenic mouse model. Additionally, adoptive transfer of antibodies in mice containing MOG-specific T cells induced disease via otherwise unresponsive myeloid antigen-presenting cells (APCs). MOG-targeting antibodies enabled Fcreceptor (FcR) mediated recognition and phagocytosis in in vitro differentiated macrophages. Additionally, antibody preparations from neuromyelitis optica patients positive for MOG antibodies similarly facilitated recognition by myeloid APCs. These results establish opsonisation of CNS antigen by specific antibodies as a novel mechanism to trigger CNS demyelination.2020-07-0

Transfer of learning between screen-based and gallery-based content:an initial study

We ran a participatory design and evaluation of a paper prototype mobile application, called Digital Islam, to engage visitors and provide additional information in the British Museum’s Islamic Gallery. An evolutionary paper prototyping exercise involving 28 visitors aged 18-60 was run for 3 weeks. As visitors interacted with the paper prototype, we manipulated the prototype, observed the visitors as they interacted with it and took notes. We asked thevisitors to “think aloud” while interacting with the prototype. The prototype rapidly evolved as visitor feedback was fed back into the design. Visitors usually do not receive explicit training in the use of museum applications, instead relying on tacit training that may have positive or negative effects depending on what learning is transferred. Our study appeared to show negative transfer between visitors’ interactions with content in the gallery and content in theapplication. Visitors were asked to perform 3 tasks, finding (A) content in the gallery; (B) textual content on screen; and (C) video content on screen. Redesigns of the interface had little impact on users’ performance. The order of tasks and consequent transfer of learning between them seemed to be more important. Visitors found Task B particularly challenging when preceded by Task A. When we introduced Task C between A and B, performance on task B immediately improved: users found the on screen content more easily and faster and nolonger looked fruitlessly for it in the gallery. The study suggests that introducing additional content in mobile applications intended to improve the visitor experience can harm that experience without careful consideration of the tacit training and learning effects when combining content in the gallery and in the application

Data-driven 3D reasoning for augmented reality

La réalité augmentée (RA) est un paradigme informatique non conventionnel dans lequel l'utilisateur interagit naturellement avec des ordinateurs en visualisant des informations en 3D et en interagissant physiquement avec du contenu virtuel. L'insertion de contenu 3D dans l'environnement nécessite que l'appareil informatique mesure le monde qui nous entoure. Les capteurs sont cependant physiquement limités et renvoient des informations brutes incomplètes ou complexes. Distiller ces données en concepts plus abstraits est donc nécessaire pour permettre de raisonner sur des concepts tels que la géométrie ou l'interaction de la lumière avec la scène. Dans cette thèse, nous explorons une question critique dans le contexte de la RA : comment les caméras de qualité grand public et les approches basées sur les données peuvent-elles être combinées pour parvenir à un raisonnement 3D du monde pour les problèmes fondamentaux de la RA ? Nous répondons à cette affirmation en nous concentrant sur trois objectifs importants couramment rencontrés dans la plupart des applications de réalité augmentée. Tout d'abord, nous estimons une pose 3D robuste de diverses instances d'objets dans des séquences temporelles à l'aide d'une seule caméra RGB-D. Notre nouvelle méthode d'apprentissage par réseaux profond permet une estimation robuste et précise de la pose malgré la présence d'occlusion. De plus, nous améliorons la stratégie d'évaluation de suiveurs d'objets en six degrées de libertés avec une méthodologie méticuleuse et un nouvel ensemble de données. Nous démontrons que l'utilisation du système de coordonnées de l'objet estimé nous permet d'éffectuer le rendu de contenu virtuel sur des objets inanimés. Deuxièmement, nous détectons les articulations du haut du corps en 3D à l'aide d'un casque de réalité virtuelle muni de plusieurs caméras pour améliorer les interactions entre le contenu humain et virtuel. Notre méthode tire partie des multiples caméras à large champ de vision sur l'appareil pour estimer une position 3D précise des articulations du corps de l'utilisateur. L'architecture du réseau neuronal utilise explicitement la géométrie projective de chaque caméra pour estimer les caractéristiques 3D pouvant être utilisées lors de la régression des positions des différentes articulations ainsi que d'autres tâches telles que la segmentation du corps. Nos expériences démontrent que l'utilisation de sources de supervision faibles améliore la précision du suiveur tout en permettant de collecter des données qui ne contiennent pas de position d'articulation 3D en vérité terrain. Enfin, nous proposons une méthode pour raisonner sur des conditions de lumière variant dans l'espace à partir d'une seule image couleur. Estimer uniquement l'éclairage global n'est pas précis lorsque les sources lumineuses sont proches du sujet et lorsque les objets de la scène occultent les sources lumineuses, un scénario courant dans les scènes d'intérieur. Notre méthode prend une image couleur et une coordonnée d'image 2D comme entrée pour estimer une représentation harmonique sphérique de la lumière à ce point de la scène. Nous montrons que les prédictions sont cohérentes avec les sources de lumière 3D et l'occlusion. La méthode est également une solution en temps réel en utilisant une architecture légère et des harmoniques sphériques pour effectuer des rendus rapidement. Chacun de ces objectifs est soutenu par des expériences approfondies et des analyses de résultats et, espérons-le, aide à combler le fossé vers de meilleures expériences utilisateur en RA.Augmented Reality (AR) is an unconventional computing paradigm where the user interacts naturally with machines by visualizing information in 3D and physically interacting with virtual content. Inserting 3D content in the environment requires the computing device to measure the world surrounding us. Sensors are however physically limited and return incomplete or complex raw information. Distilling this data in more abstract concepts is thus mandatory to allow reasoning about numerous concepts such as geometry or light interaction with the scene. In this thesis, we explore a critical question in the context of AR: how consumer grade cameras and data-driven approaches can be combined to achieve 3D reasoning of the world for fundamental AR problems? We address this statement by focusing on three important objectives commonly encountered in most augmented reality applications. First, we estimate a robust 3D pose of various object instances in temporal sequences using a single RGB-D camera. Our novel deep learning framework allows robust and accurate pose estimation despite the presence of occlusion. We further improve the evaluation strategy of 6 DOF object trackers with a meticulous methodology and challenging new dataset. We demonstrate that using the estimated object reference allows us to render virtual content over inanimate objects. Second, we detect the upper body joints in 3D using an off-the-shelf head mounted display (HMD) to improve human and virtual content interactions. Our method takes advantage of the multiple wide field of view cameras on the HMD to estimate an accurate 3D position of the user body joints. The neural network architecture explicitly uses the projective geometry of each cameras to estimate 3D features that can be used to regress the joint position and other tasks such as body segmentation. Our experiments demonstrate that using weak sources of supervision enhance the accuracy of the tracker while allowing to gather data that does not contain ground truth 3D joint position. Finally, we propose a method to reason about spatially-varying light conditions from a single RGB image. Estimating only global lighting does not provide accurate illumination when light sources are near the subject and when objects in the scene occlude the light sources, a common scenario in indoor scenes. Our method takes an RGB image and 2D image coordinate as input to estimate a spherical harmonic representation of light at that point in the scene. We show that the predictions are consistent with 3D light sources and occlusion. The method is also a real-time solution for the full render pipeline by using a lightweight architecture and spherical harmonics. Each of these objectives is supported by extensive experiments and result analyzes and hopefully help closing the gap to better AR experiences