Surfaces Reconstruction Via Inertial Sensors for Monitoring

International audienceThis document deals with the new capabilities of monitoring via the surface reconstruction of stuctures with sensors' arrays systems. Indeed, we will detail here our new demonstrator composed of a smart textile equipped with inertial sensors and a set of processings allowing to reconstruct the shape of the textile moving along time. We show here how this new tool can provide very useful information from the structures

From Image-based Motion Analysis to Free-Viewpoint Video

The problems of capturing real-world scenes with cameras and automatically analyzing the visible motion have traditionally been in the focus of computer vision research. The photo-realistic rendition of dynamic real-world scenes, on the other hand, is a problem that has been investigated in the field of computer graphics. In this thesis, we demonstrate that the joint solution to all three of these problems enables the creation of powerful new tools that are benecial for both research disciplines. Analysis and rendition of real-world scenes with human actors are amongst the most challenging problems. In this thesis we present new algorithmic recipes to attack them. The dissertation consists of three parts: In part I, we present novel solutions to two fundamental problems of human motion analysis. Firstly, we demonstrate a novel hybrid approach for markerfree human motion capture from multiple video streams. Thereafter, a new algorithm for automatic non-intrusive estimation of kinematic body models of arbitrary moving subjects from video is detailed. In part II of the thesis, we demonstrate that a marker-free motion capture approach makes possible the model-based reconstruction of free-viewpoint videos of human actors from only a handful of video streams. The estimated 3D videos enable the photo-realistic real-time rendition of a dynamic scene from arbitrary novel viewpoints. Texture information from video is not only applied to generate a realistic surface appearance, but also to improve the precision of the motion estimation scheme. The commitment to a generic body model also allows us to reconstruct a time-varying reflectance description of an actor`s body surface which allows us to realistically render the free-viewpoint videos under arbitrary lighting conditions. A novel method to capture high-speed large scale motion using regular still cameras and the principle of multi-exposure photography is described in part III. The fundamental principles underlying the methods in this thesis are not only applicable to humans but to a much larger class of subjects. It is demonstrated that, in conjunction, our proposed algorithmic recipes serve as building blocks for the next generation of immersive 3D visual media.Die Entwicklung neuer Algorithmen zur optischen Erfassung und Analyse der Bewegung in dynamischen Szenen ist einer der Forschungsschwerpunkte in der computergestützten Bildverarbeitung. Während im maschinellen Bildverstehen das Augenmerk auf der Extraktion von Informationen liegt, konzentriert sich die Computergrafik auf das inverse Problem, die fotorealistische Darstellung bewegter Szenen. In jüngster Vergangenheit haben sich die beiden Disziplinen kontinuierlich angenähert, da es eine Vielzahl an herausfordernden wissenschaftlichen Fragestellungen gibt, die eine gemeinsame Lösung des Bilderfassungs-, des Bildanalyse- und des Bildsyntheseproblems verlangen. Zwei der schwierigsten Probleme, welche für Forscher aus beiden Disziplinen eine große Relevanz besitzen, sind die Analyse und die Synthese von dynamischen Szenen, in denen Menschen im Mittelpunkt stehen. Im Rahmen dieser Dissertation werden Verfahren vorgestellt, welche die optische Erfassung dieser Art von Szenen, die automatische Analyse der Bewegungen und die realistische neue Darstellung im Computer erlauben. Es wid deutlich werden, dass eine Integration von Algorithmen zur Lösung dieser drei Probleme in ein Gesamtsystem die Erzeugung völlig neuartiger dreidimensionaler Darstellungen von Menschen in Bewegung ermöglicht. Die Dissertation ist in drei Teile gegliedert: Teil I beginnt mit der Beschreibung des Entwurfs und des Baus eines Studios zur zeitsynchronen Erfassung mehrerer Videobildströme. Die im Studio aufgezeichneten Multivideosequenzen dienen als Eingabedaten für die im Rahmen dieser Dissertation entwickelten videogestützten Bewegunsanalyseverfahren und die Algorithmen zur Erzeugung dreidimensionaler Videos. Im Anschluß daran werden zwei neu entwickelte Verfahren vorgestellt, die Antworten auf zwei fundamentale Fragen in der optischen Erfassung menschlicher Bewegung geben, die Messung von Bewegungsparametern und die Erzeugung von kinematischen Skelettmodellen. Das erste Verfahren ist ein hybrider Algorithmus zur markierungslosen optischen Messung von Bewegunsgparametern aus Multivideodaten. Der Verzicht auf optische Markierungen wird dadurch ermöglicht, dass zur Bewegungsanalyse sowohl aus den Bilddaten rekonstruierte Volumenmodelle als auch leicht zu erfassende Körpermerkmale verwendet werden. Das zweite Verfahren dient der automatischen Rekonstruktion eines kinematischen Skelettmodells anhand von Multivideodaten. Der Algorithmus benötigt weder optischen Markierungen in der Szene noch a priori Informationen über die Körperstruktur, und ist in gleicher Form auf Menschen, Tiere und Objekte anwendbar. Das Thema das zweiten Teils dieser Arbeit ist ein modellbasiertes Verfahrenzur Rekonstruktion dreidimensionaler Videos von Menschen in Bewegung aus nur wenigen zeitsynchronen Videoströmen. Der Betrachter kann die errechneten 3D Videos auf einem Computer in Echtzeit abspielen und dabei interaktiv einen beliebigen virtuellen Blickpunkt auf die Geschehnisse einnehmen. Im Zentrum unseres Ansatzes steht ein silhouettenbasierter Analyse-durch-Synthese Algorithmus, der es ermöglicht, ohne optische Markierungen sowohl die Form als auch die Bewegung eines Menschen zu erfassen. Durch die Berechnung zeitveränderlicher Oberächentexturen aus den Videodaten ist gewährleistet, dass eine Person aus jedem beliebigen Blickwinkel ein fotorealistisches Erscheinungsbild besitzt. In einer ersten algorithmischen Erweiterung wird gezeigt, dass die Texturinformation auch zur Verbesserung der Genauigkeit der Bewegunsgssch ätzung eingesetzt werden kann. Zudem ist es durch die Verwendung eines generischen Körpermodells möglich, nicht nur dynamische Texturen sondern sogar dynamische Reektionseigenschaften der Körperoberäche zu messen. Unser Reektionsmodell besteht aus einer parametrischen BRDF für jeden Texel und einer dynamischen Normalenkarte für die gesamte Körperoberäche. Auf diese Weise können 3D Videos auch unter völlig neuen simulierten Beleuchtungsbedingungen realistisch wiedergegeben werden. Teil III dieser Arbeit beschreibt ein neuartiges Verfahren zur optischen Messung sehr schneller Bewegungen. Bisher erforderten optische Aufnahmen von Hochgeschwindigkeitsbewegungen sehr teure Spezialkameras mit hohen Bildraten. Im Gegensatz dazu verwendet die hier beschriebene Methode einfache Digitalfotokameras und das Prinzip der Multiblitzfotograe. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe dieses Verfahrens sowohl die sehr schnelle artikulierte Handbewegung des Werfers als auch die Flugparameter des Balls während eines Baseballpitches gemessen werden können. Die hochgenau erfaßten Parameter ermöglichen es, die gemessene Bewegung in völlig neuer Weise im Computer zu visualisieren. Obgleich die in dieser Dissertation vorgestellten Verfahren vornehmlich der Analyse und Darstellung menschlicher Bewegungen dienen, sind die grundlegenden Prinzipien auch auf viele anderen Szenen anwendbar. Jeder der beschriebenen Algorithmen löst zwar in erster Linie ein bestimmtes Teilproblem, aber in Ihrer Gesamtheit können die Verfahren als Bausteine verstanden werden, welche die nächste Generation interaktiver dreidimensionaler Medien ermöglichen werden

Modélisation dynamique inverse de tissus - Apprentissage profond à l'aide de simulations basées sur la physique

Inverse problems arise in various physical domains and solving them from real-world visual observations poses a significant challenge due to the high dimensional nature of the data. Furthermore gathering enough observations that a data driven model can accurately capture the complete distribution of a physical phenomenon is often intractable. In this work we use deep learning to solve inverse problems by applying two basic principles. Deep learning models can be trained using synthetic data generated from physics based simulations. And the employed simulator itself needs to be verified for physical accuracy thus allowing the model to learn the exact physical phenomenon that is desired.To validate the simulator, we introduce rich and compact physical protocols, originally proposed in soft matter physics literature to measure physical parameters. These protocols can be easily replicated in a simulator to test the physical correctness of the model, and the validity of the simulator.We solve the inverse measurement problem of estimating contact friction in soft-bodies which otherwise requires a specialized physics bench and entails tedious acquisition protocols. This makes the prospect of a purely non-invasive, video-based measurement technique particularly attractive. Previous works have shown that such a video-based estimation is feasible for material parameters using deep learning, but this has never been applied to the friction estimation problem which results in even more subtle visual variations. Since acquiring a large dataset for this problem is impractical, we generate it using a frictional contact simulator. As the simulator has been calibrated and verified using controlled experiments, the results are not only visually plausible, but physically-correct enough to match observations made at the macroscopic scale. We propose to our knowledge the first non-invasive measurement network and adjoining synthetic training dataset for estimating cloth friction at contact, for both cloth-hard body and cloth-cloth contacts. We also acquire an extensive dataset of real world experiments for testing. Both the training and test datasets have been made freely available to the community.We also utilize the same protocol for solving the inverse measurement problem of estimating the deformed curvature of a suspended Kirchhoff rod. In order to do such estimation on physical rods, we utilize a deep learning model to visually predict a curvature field from a suspended rod. As creating a dataset from physical rods (even if synthetically constructed), that faithfully covers a representative manifold of deformed curvatures is intractable, we rely on generating such a dataset from a verified simulator. Our work shows a promising way forward for utilizing deep learning models as part of an inversion measurement pipeline.Des problèmes inverses surviennent dans divers domaines physiques et les résoudre à partir d'observations visuelles du monde réel pose un défi important en raison de la nature hautement dimensionnelle des données. De plus, rassembler suffisamment d'observations pour qu'un modèle basé sur les données puisse capturer avec précision la distribution complète d'un phénomène physique est souvent insoluble. Dans ce travail, nous utilisons l'apprentissage profond pour résoudre des problèmes inverses en appliquant deux principes de base. Les modèles d'apprentissage profond peuvent être entraînés à l'aide de données synthétiques générées à partir de simulations basées sur la physique. Et la précision physique du simulateur employé, lui-même, doit être vérifiée, permettant ainsi au modèle d'apprendre le phénomène physique exact souhaité.Afin de valider le simulateur, nous introduisons des protocoles physiques riches et compacts, proposés à l'origine dans la littérature de physique de la matière molle pour mesurer des paramètres physiques. Ces protocoles peuvent être facilement répliqués dans un simulateur pour tester l'exactitude physique du modèle et la validité du simulateur.Nous résolvons le problème de mesure inverse de l'estimation du frottement de contact dans les corps mous qui nécessite sinon un banc de physique spécialisé et un protocole d'acquisition fastidieux. Cela rend la perspective d'une technique de mesure purement non invasive basée sur la vidéo particulièrement attrayante. Des travaux antérieurs ont montré qu'une telle estimation basée sur la vidéo est réalisable pour les paramètres de matériaux en utilisant l'apprentissage profond, mais cela n'a jamais été appliqué au problème d'estimation de la friction qui entraîne des variations visuelles encore plus subtiles. Étant donné qu'il n'est pas pratique d'acquérir un grand ensemble de données pour ce problème, nous le générons à l'aide d'un simulateur de contact frictionnel. Comme le simulateur a été calibré et vérifié à l'aide d'expériences contrôlées, les résultats sont non seulement visuellement plausibles, mais suffisamment corrects physiquement pour correspondre aux observations faites à l'échelle macroscopique. Nous proposons à notre connaissance le premier réseau de mesure non invasif et un jeu de données d'entraînement synthétique adjacent pour estimer le frottement du tissu au contact, à la fois pour les contacts tissu-corps dur et tissu-tissu. Nous acquérons également un vaste ensemble de données d'expériences du monde réel pour les tests. Les ensembles de données de formation et de test ont été mis gratuitement à la disposition de la communauté.Nous utilisons également le même protocole pour résoudre le problème de mesure inverse de l'estimation de la courbure déformée d'une tige de Kirchhoff suspendue. Afin de faire une telle estimation sur des tiges physiques, nous utilisons un modèle d'apprentissage profond pour prédire visuellement un champ de courbure à partir d'une tige suspendue. Comme la création d'un ensemble de données à partir de tiges physiques (même si elles sont synthétiquement construites), qui couvre fidèlement une variété représentative de courbures déformées est insoluble, nous comptons sur la génération d'un tel ensemble de données à partir d'un simulateur vérifié. Notre travail montre une voie prometteuse pour l'utilisation de modèles d'apprentissage profond dans le cadre d'un pipeline de mesure d'inversion

2D and 3D surface image processing algorithms and their applications

This doctoral dissertation work aims to develop algorithms for 2D image segmentation application of solar filament disappearance detection, 3D mesh simplification, and 3D image warping in pre-surgery simulation. Filament area detection in solar images is an image segmentation problem. A thresholding and region growing combined method is proposed and applied in this application. Based on the filament area detection results, filament disappearances are reported in real time. The solar images in 1999 are processed with this proposed system and three statistical results of filaments are presented. 3D images can be obtained by passive and active range sensing. An image registration process finds the transformation between each pair of range views. To model an object, a common reference frame in which all views can be transformed must be defined. After the registration, the range views should be integrated into a non-redundant model. Optimization is necessary to obtain a complete 3D model. One single surface representation can better fit to the data. It may be further simplified for rendering, storing and transmitting efficiently, or the representation can be converted to some other formats. This work proposes an efficient algorithm for solving the mesh simplification problem, approximating an arbitrary mesh by a simplified mesh. The algorithm uses Root Mean Square distance error metric to decide the facet curvature. Two vertices of one edge and the surrounding vertices decide the average plane. The simplification results are excellent and the computation speed is fast. The algorithm is compared with six other major simplification algorithms. Image morphing is used for all methods that gradually and continuously deform a source image into a target image, while producing the in-between models. Image warping is a continuous deformation of a: graphical object. A morphing process is usually composed of warping and interpolation. This work develops a direct-manipulation-of-free-form-deformation-based method and application for pre-surgical planning. The developed user interface provides a friendly interactive tool in the plastic surgery. Nose augmentation surgery is presented as an example. Displacement vector and lattices resulting in different resolution are used to obtain various deformation results. During the deformation, the volume change of the model is also considered based on a simplified skin-muscle model

Data visualization in the first person

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, School of Architecture and Planning, Program in Media Arts and Sciences, February 2013.Cataloged from PDF version of thesis. "February 2013."Includes bibliographical references (p. 103-107).This dissertation will examine what a first person viewpoint means in the context of data visualization and how it can be used for navigating and presenting large datasets. Recent years have seen rapid growth in Big Data methodologies throughout scientific research, business analytics, and online services. The datasets used in these areas are not only growing exponentially larger, but also more complex, incorporating heterogeneous data from many sources that might include digital sensors, websites, mass media, and others. The scale and complexity of these datasets pose significant challenges in the design of effective tools for navigation and analysis. This work will explore methods of representing large datasets as physical, navigable environments. Much of the related research on first person interfaces and 3D visualization has focused on producing tools for expert users and scientific analysis. Due to the complexities of navigation and perception introduced by 3D interfaces, work in this area has had mixed results. In particular, considerable efforts to develop 3D systems for more abstract data, like file systems and social networks, have had difficulty surpassing the efficiency of 2D approaches. However, 3D may offer advantages that have been less explored in this context. In particular, data visualization can be a valuable tool for disseminating scientific results, sharing insights, and explaining methodology. In these applications, clear communication of concepts and narratives are often more essential than efficient navigation. This dissertation will present novel visualization systems designed for large datasets that include audio-video recordings, social media, and others. Discussion will focus on designing visuals that use the first person perspective to give a physical and intuitive form to abstract data, to combine multiple sources of data within a shared space, to construct narratives, and to engage the viewer at a more visceral and emotional level.by Philip DeCamp.Ph.D

Aeronautical engineering: A continuing bibliography with indexes (supplement 289)

This bibliography lists 792 reports, articles, and other documents introduced into the NASA scientific and technical information system in Mar. 1993. Subject coverage includes: design, construction and testing of aircraft and aircraft engines; aircraft components, equipment, and systems; ground support systems; and theoretical and applied aspects of aerodynamics and general fluid dynamics

Nonlinear dynamics and fluctuations in biological systems

The present habilitation thesis in theoretical biological physics addresses two central dynamical processes in cells and organisms: (i) active motility and motility control and (ii) self-organized pattern formation. The unifying theme is the nonlinear dynamics of biological function and its robustness in the presence of strong fluctuations, structural variations, and external perturbations. We theoretically investigate motility control at the cellular scale, using cilia and flagella as ideal model system. Cilia and flagella are highly conserved slender cell appendages that exhibit spontaneous bending waves. This flagellar beat represents a prime example of a chemo-mechanical oscillator, which is driven by the collective dynamics of molecular motors inside the flagellar axoneme. We study the nonlinear dynamics of flagellar swimming, steering, and synchronization, which encompasses shape control of the flagellar beat by chemical signals and mechanical forces. Mechanical forces can synchronize collections of flagella to beat at a common frequency, despite active motor noise that tends to randomize flagellar synchrony. In Chapter 2, we present a new physical mechanism for flagellar synchronization by mechanical self-stabilization that applies to free-swimming flagellated cells. This new mechanism is independent of direct hydrodynamic interactions between flagella. Comparison with experimental data provided by experimental collaboration partners in the laboratory of J. Howard (Yale, New Haven) confirmed our new mechanism in the model organism of the unicellular green alga Chlamydomonas. Further, we characterize the beating flagellum as a noisy oscillator. Using a minimal model of collective motor dynamics, we argue that measured non-equilibrium fluctuations of the flagellar beat result from stochastic motor dynamics at the molecular scale. Noise and mechanical coupling are antagonists for flagellar synchronization. In addition to the control of the flagellar beat by mechanical forces, we study the control of the flagellar beat by chemical signals in the context of sperm chemotaxis. We characterize a fundamental paradigm for navigation in external concentration gradients that relies on active swimming along helical paths. In this helical chemotaxis, the direction of a spatial concentration gradient becomes encoded in the phase of an oscillatory chemical signal. Helical chemotaxis represents a distinct gradient-sensing strategy, which is different from bacterial chemotaxis. Helical chemotaxis is employed, for example, by sperm cells from marine invertebrates with external fertilization. We present a theory of sensorimotor control, which combines hydrodynamic simulations of chiral flagellar swimming with a dynamic regulation of flagellar beat shape in response to chemical signals perceived by the cell. Our theory is compared to three-dimensional tracking experiments of sperm chemotaxis performed by the laboratory of U. B. Kaupp (CAESAR, Bonn). In addition to motility control, we investigate in Chapter 3 self-organized pattern formation in two selected biological systems at the cell and organism scale, respectively. On the cellular scale, we present a minimal physical mechanism for the spontaneous self-assembly of periodic cytoskeletal patterns, as observed in myofibrils in striated muscle cells. This minimal mechanism relies on the interplay of a passive coarsening process of crosslinked actin clusters and active cytoskeletal forces. This mechanism of cytoskeletal pattern formation exemplifies how local interactions can generate large-scale spatial order in active systems. On the organism scale, we present an extension of Turing’s framework for self-organized pattern formation that is capable of a proportionate scaling of steady-state patterns with system size. This new mechanism does not require any pre-pattering clues and can restore proportional patterns in regeneration scenarios. We analytically derive the hierarchy of steady-state patterns and analyze their stability and basins of attraction. We demonstrate that this scaling mechanism is structurally robust. Applications to the growth and regeneration dynamics in flatworms are discussed (experiments by J. Rink, MPI CBG, Dresden).:1 Introduction 10 1.1 Overview of the thesis 10 1.2 What is biological physics? 12 1.3 Nonlinear dynamics and control 14 1.3.1 Mechanisms of cell motility 16 1.3.2 Self-organized pattern formation in cells and tissues 28 1.4 Fluctuations and biological robustness 34 1.4.1 Sources of fluctuations in biological systems 34 1.4.2 Example of stochastic dynamics: synchronization of noisy oscillators 36 1.4.3 Cellular navigation strategies reveal adaptation to noise 39 2 Selected publications: Cell motility and motility control 56 2.1 “Flagellar synchronization independent of hydrodynamic interactions” 56 2.2 “Cell body rocking is a dominant mechanism for flagellar synchronization” 57 2.3 “Active phase and amplitude fluctuations of the flagellar beat” 58 2.4 “Sperm navigation in 3D chemoattractant landscapes” 59 3 Selected publications: Self-organized pattern formation in cells and tissues 60 3.1 “Sarcomeric pattern formation by actin cluster coalescence” 60 3.2 “Scaling and regeneration of self-organized patterns” 61 4 Contribution of the author in collaborative publications 62 5 Eidesstattliche Versicherung 64 6 Appendix: Reprints of publications 66Das Thema der vorliegenden Habilitationsschrift in Theoretischer Biologischer Physik ist die nichtlineare Dynamik funktionaler biologischer Systeme und deren Robustheit gegenüber Fluktuationen und äußeren Störungen. Wir entwickeln hierzu theoretische Beschreibungen für zwei grundlegende biologische Prozesse: (i) die zell-autonome Kontrolle aktiver Bewegung, sowie (ii) selbstorganisierte Musterbildung in Zellen und Organismen. In Kapitel 2, untersuchen wir Bewegungskontrolle auf zellulärer Ebene am Modelsystem von Zilien und Geißeln. Spontane Biegewellen dieser dünnen Zellfortsätze ermöglichen es eukaryotischen Zellen, in einer Flüssigkeit zu schwimmen. Wir beschreiben einen neuen physikalischen Mechanismus für die Synchronisation zweier schlagender Geißeln, unabhängig von direkten hydrodynamischen Wechselwirkungen. Der Vergleich mit experimentellen Daten, zur Verfügung gestellt von unseren experimentellen Kooperationspartnern im Labor von J. Howard (Yale, New Haven), bestätigt diesen neuen Mechanismus im Modellorganismus der einzelligen Grünalge Chlamydomonas. Der Gegenspieler dieser Synchronisation durch mechanische Kopplung sind Fluktuationen. Wir bestimmen erstmals Nichtgleichgewichts-Fluktuationen des Geißel-Schlags direkt, wofür wir eine neue Analyse-Methode der Grenzzykel-Rekonstruktion entwickeln. Die von uns gemessenen Fluktuationen entstehen mutmaßlich durch die stochastische Dynamik molekularen Motoren im Innern der Geißeln, welche auch den Geißelschlag antreiben. Um die statistische Physik dieser Nichtgleichgewichts-Fluktuationen zu verstehen, entwickeln wir eine analytische Theorie der Fluktuationen in einem minimalen Modell kollektiver Motor-Dynamik. Zusätzlich zur Regulation des Geißelschlags durch mechanische Kräfte untersuchen wir dessen Regulation durch chemische Signale am Modell der Chemotaxis von Spermien-Zellen. Dabei charakterisieren wir einen grundlegenden Mechanismus für die Navigation in externen Konzentrationsgradienten. Dieser Mechanismus beruht auf dem aktiven Schwimmen entlang von Spiralbahnen, wodurch ein räumlicher Konzentrationsgradient in der Phase eines oszillierenden chemischen Signals kodiert wird. Dieser Chemotaxis-Mechanismus unterscheidet sich grundlegend vom bekannten Chemotaxis-Mechanismus von Bakterien. Wir entwickeln eine Theorie der senso-motorischen Steuerung des Geißelschlags während der Spermien-Chemotaxis. Vorhersagen dieser Theorie werden durch Experimente der Gruppe von U.B. Kaupp (CAESAR, Bonn) quantitativ bestätigt. In Kapitel 3, untersuchen wir selbstorganisierte Strukturbildung in zwei ausgewählten biologischen Systemen. Auf zellulärer Ebene schlagen wir einen einfachen physikalischen Mechanismus vor für die spontane Selbstorganisation von periodischen Zellskelett-Strukturen, wie sie sich z.B. in den Myofibrillen gestreifter Muskelzellen finden. Dieser Mechanismus zeigt exemplarisch auf, wie allein durch lokale Wechselwirkungen räumliche Ordnung auf größeren Längenskalen in einem Nichtgleichgewichtssystem entstehen kann. Auf der Ebene des Organismus stellen wir eine Erweiterung der Turingschen Theorie für selbstorganisierte Musterbildung vor. Wir beschreiben eine neue Klasse von Musterbildungssystemen, welche selbst-organisierte Muster erzeugt, die mit der Systemgröße skalieren. Dieser neue Mechanismus erfordert weder eine vorgegebene Kompartimentalisierung des Systems noch spezielle Randbedingungen. Insbesondere kann dieser Mechanismus proportionale Muster wiederherstellen, wenn Teile des Systems amputiert werden. Wir bestimmen analytisch die Hierarchie aller stationären Muster und analysieren deren Stabilität und Einzugsgebiete. Damit können wir zeigen, dass dieser Skalierungs-Mechanismus strukturell robust ist bezüglich Variationen von Parametern und sogar funktionalen Beziehungen zwischen dynamischen Variablen. Zusammen mit Kollaborationspartnern im Labor von J. Rink (MPI CBG, Dresden) diskutieren wir Anwendungen auf das Wachstum von Plattwürmern und deren Regeneration in Amputations-Experimenten.:1 Introduction 10 1.1 Overview of the thesis 10 1.2 What is biological physics? 12 1.3 Nonlinear dynamics and control 14 1.3.1 Mechanisms of cell motility 16 1.3.2 Self-organized pattern formation in cells and tissues 28 1.4 Fluctuations and biological robustness 34 1.4.1 Sources of fluctuations in biological systems 34 1.4.2 Example of stochastic dynamics: synchronization of noisy oscillators 36 1.4.3 Cellular navigation strategies reveal adaptation to noise 39 2 Selected publications: Cell motility and motility control 56 2.1 “Flagellar synchronization independent of hydrodynamic interactions” 56 2.2 “Cell body rocking is a dominant mechanism for flagellar synchronization” 57 2.3 “Active phase and amplitude fluctuations of the flagellar beat” 58 2.4 “Sperm navigation in 3D chemoattractant landscapes” 59 3 Selected publications: Self-organized pattern formation in cells and tissues 60 3.1 “Sarcomeric pattern formation by actin cluster coalescence” 60 3.2 “Scaling and regeneration of self-organized patterns” 61 4 Contribution of the author in collaborative publications 62 5 Eidesstattliche Versicherung 64 6 Appendix: Reprints of publications 6

NAS technical summaries. Numerical aerodynamic simulation program, March 1992 - February 1993

NASA created the Numerical Aerodynamic Simulation (NAS) Program in 1987 to focus resources on solving critical problems in aeroscience and related disciplines by utilizing the power of the most advanced supercomputers available. The NAS Program provides scientists with the necessary computing power to solve today's most demanding computational fluid dynamics problems and serves as a pathfinder in integrating leading-edge supercomputing technologies, thus benefitting other supercomputer centers in government and industry. The 1992-93 operational year concluded with 399 high-speed processor projects and 91 parallel projects representing NASA, the Department of Defense, other government agencies, private industry, and universities. This document provides a glimpse at some of the significant scientific results for the year