Statically-analyzed stream monitoring for cyber-physical Systems

Cyber-physical systems are digital systems interacting with the physical world. Even though this induces an inherent complexity, they are responsible for safety-critical tasks like governing nuclear power plants or controlling autonomous vehicles. To preserve trust into the safety of such systems, this thesis presents a runtime verification approach designed to generate trustworthy monitors from a formal specification. These monitors are responsible for observing the cyber-physical system during runtime and ensuring its safety. As underlying language, I present the asynchronous real-time specification language RTLola. It contains primitives for arithmetic properties and grants precise control over the timing of the monitor. With this, it enables specifiers to express properties relevant to cyber-physical systems. The thesis further presents a static analysis that identifies inconsistencies in the specification and provides insights into the dynamic behavior of the monitor. As a result, the resource consumption of the monitor becomes predictable. The generation of the monitor produces either a hardware description synthesizable onto programmable hardware, or Rust code with verification annotation. These annotations allow for proving the correctness of the monitor with respect to the semantics of RTLola. Last, I present the construction of a conservative hybrid model of the underlying system using information extracted from the specification. This model enables further verification steps.Cyber-physische Systeme sind digitale Systeme, die mit der physischen Welt interagieren. Obwohl das zu einer inhärenten Komplexität führt, sind sie verantwortlich für sicherheitskritische Aufgaben wie der Steuerung von Kernkraftwerken oder autonomen Fahrzeugen. Umdas Vertrauen in deren Sicherheit zu wahren, präsentiert diese Doktorarbeit einen Ansatz zur Laufzeitverifikation, konzipiert, um vertrauenswürdige Monitore aus einer formalen Spezifikation zu generieren. Diese Monitore sind dafür verantwortlich, das cyber-physische System zur Laufzeit zu überwachen und dessen Sicherheit zu gewährleisten. Als zugrundeliegende Sprache präsentiere ich die asynchrone Echtzeit-Spezifikationssprache RTLola. Sie enthält Primitiven für arithmetische Eigenschaften und gewährt präzise Kontrolle über das Timing des Monitors. Damit wird es Spezifizierenden ermöglicht Eigenschaften auszudrücken, die für Cyber-physische Systeme relevant sind. Weiterhin präsentiert diese Doktorarbeit eine statische Analyse, die Unstimmigkeiten in der Spezifikation identifiziert und Einblicke in das dynamische Verhalten des Monitors liefert. Aufgrund dessen wird der Ressourcenverbrauch des Monitors vorhersehbar. Die Generierung des Monitors erzeugt entweder eine Hardwarebeschreibung, die auf programmierbarer Hardware synthetisiert werden kann, oder Rust Code mit Verifikationsannotationen. Diese Annotationen erlauben es, die Korrektheit des Monitors bezogen auf die Semantik von RTLola zu beweisen. Abschließend präsentiere ich die Konstruktion von einem konservativen hybriden Modell des zugrundeliegenden Systems anhand von Informationen, die aus der Spezifikation gewonnen wurden. Dieses Modell ermöglicht weitere Verifikationsschritte

Establishing effective amplitude criterion for transcranial direct current stimulation

My honors project will document and reflect on my experiences as a member of a research team that is studying transcranial direct current stimulation (tDCS) as a treatment for dysphagia, or difficulty swallowing, which affects a vast, diverse group of individuals. There is substantial need for more efficient and effective rehabilitation strategies used to restore abilities and reduce the risks associated with dysphagia. Recent studies have addressed these risks by exploring tDCS as a treatment for central nervous system damage caused by stroke, traumatic brain injury, and Parkinson\u27s disease. Research has recently been conducted to test its effectiveness, but has proven variable, as a range of methods have been utilized when administering the stimulation. The research team’s specific aim was to first establish an effective amplitude criterion for tDCS by documenting its effect on cortical blood flow, muscle contraction during an effortful swallow, and a participant’s perception of discomfort. This goal is useful to the field because an optimal tDCS paradigm would allow professionals to be one step closer to being able to use this tool to help individuals with dysphagia achieve a healthier swallow. My honors project is a reflection piece based on my experience and acquired knowledge from the larger study. An observation protocol was employed to facilitate reflections and observations about empirical research in the field of communication sciences and disorders for assist with this reflection

Structure and Intermolecular Interactions between L-Type Straight Flagellar Filaments.

Bacterial mobility is powered by rotation of helical flagellar filaments driven by rotary motors. Flagellin isolated from the Salmonella Typhimurium SJW1660 strain, which differs by a point mutation from the wild-type strain, assembles into straight filaments in which flagellin monomers are arranged in a left-handed helix. Using small-angle x-ray scattering and osmotic stress methods, we investigated the structure of SJW1660 flagellar filaments as well as the intermolecular forces that govern their assembly into dense hexagonal bundles. The scattering data were fitted to models, which took into account the atomic structure of the flagellin subunits. The analysis revealed the exact helical arrangement and the super-helical twist of the flagellin subunits within the filaments. Under osmotic stress, the filaments formed two-dimensional hexagonal bundles. Monte Carlo simulations and continuum theories were used to analyze the scattering data from hexagonal arrays, revealing how the bundle bulk modulus and the deflection length of filaments in the bundles depend on the applied osmotic stress. Scattering data from aligned flagellar bundles confirmed the theoretically predicated structure-factor scattering peak line shape. Quantitative analysis of the measured equation of state of the bundles revealed the contributions of electrostatic, hydration, and elastic interactions to the intermolecular forces associated with bundling of straight semi-flexible flagellar filaments

High-speed acousto-optic shutter with no optical frequency shift

Acousto-optic modulators are widely used for rapid switching and shuttering of laser beams. In many applications, the concomitant frequency shift is undesirable and must be compensated for elsewhere in the system. Here we present a simple method of achieving rapid laser power switching without an accompanying laser frequency shift. The demonstrated acousto-optic shutter achieves a switching time of around 25 ns, an extinction ratio of 46 dB, and efficiency comparable to a conventional double-pass acousto-optical modulator configuration. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4746292

Solid friction between soft filaments

Any macroscopic deformation of a filamentous bundle is necessarily accompanied by local sliding and/or stretching of the constituent filaments. Yet the nature of the sliding friction between two aligned filaments interacting through multiple contacts remains largely unexplored. Here, by directly measuring the sliding forces between two bundled F-actin filaments, we show that these frictional forces are unexpectedly large, scale logarithmically with sliding velocity as in solid-like friction, and exhibit complex dependence on the filaments' overlap length. We also show that a reduction of the frictional force by orders of magnitude, associated with a transition from solid-like friction to Stokes' drag, can be induced by coating F-actin with polymeric brushes. Furthermore, we observe similar transitions in filamentous microtubules and bacterial flagella. Our findings demonstrate how altering a filament's elasticity, structure and interactions can be used to engineer interfilament friction and thus tune the properties of fibrous composite materials

Function of the exocsyt complex in the calyx of Held presynaptic nerve terminal

Synaptic vesicles have to be constantly transported to the active zone to ensure ongoing synaptic transmission. Although some proteins which mediate docking and priming of synaptic vesicles have been identified (Munc13, RIM, SNAREs) the molecular mechanisms that mobilize synaptic vesicles from the recycling or reserve pool to the active zone are not well understood. Here, we investigated the involvement of the exocyst complex, a multiprotein tethering complex involved in directed transport of vesicle cargo, in the trafficking of synaptic vesicles. By means of stereotaxic injection of recombinant adeno-associated viral particles into the ventral cochlear nucleus of 2-day-old Sprague Dawley rats we performed acute genetic perturbation of exocyst function by overexpression of a dominant-negative truncation construct of Exo70, a subunit of the exocyst complex, in globular bushy cells to analyze potential changes in synaptic transmission at the calyx of Held. Additionally, the morphology of presynaptic terminals was reconstructed from confocal image stacks to investigate the influence of exocyst perturbation on synaptic architecture and maturation. Manual reconstruction of 166 calyces of Held and subsequent volume analysis revealed that overexpression of the dominant-negative truncation construct of Exo70 results in a statistically significant decrease in nerve terminal volume at P13 indicating induced defects in membrane addition by acute genetic perturbation. Surprisingly, calyces, which overexpressed the truncation construct of Exo70 (Exo70Nter), had comparable volumes to wildtype cells at a matured state in P21 rats. These findings suggest that while exocyst function is necessary during early maturation of calyces of Held it seems to be dispensable at later developmental stages. The developmental stage dependent function of Exo70 is further supported by the observation of a localization shift of the full-length GFP-fusion protein Exo70 between the two ages investigated. While adult calyces in P21 rats display plasma membrane localization for GFP-Exo70, this plasma membrane association is not evident for maturing calyces from P13 animals. Despite the hypomorphic nature of P13 calyces overexpressing Exo70Nter, low frequency (0.1 Hz) stimulation did not affect EPSC kinetics, suggesting that the fusion machinery of synaptic vesicles remained unaffected. Decay of EPSC amplitudes upon repetitive stimulation (0.3 – 100 Hz) was indistinguishable from wildtype, suggesting that exocyst is not involved in the molecular mechanisms underlying short-term depression. Similarly, readily releasable pool size and kinetics of recovery from depression, frequency of spontaneous release, quantal size and mEPSC kinetics remained unaffected by Exo70Nter overexpression. Thus, perturbation of exocyst function by overexpression of a dominant-negative truncation construct of Exo70 did not affect synaptic transmission, suggesting that exocyst does not contribute to the synaptic vesicle cycle and neurotransmitter release. In summary, our findings show that the exocyst complex is required for presynaptic membrane addition at early stages of calyx maturation, while a role as a tethering factor of synaptic vesicles in local vesicle recycling remains unlikely. Thus, the exocyst complex may be required for the delivery of cargo from the cell soma to synaptic terminals, but not for trafficking steps in the synaptic vesicle cycle

Aktive Dämpfung von Triebstrangschwingungen

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Spielräume oder „Spielwiesen“? Konflikte um die innergewerkschaftliche Repräsentation Jugendlicher, Frauen und ImmigrantInnen

Diese Dissertation fragt danach, inwieweit und unter welchen Bedingungen die Repräsentation unterdrückter sozialer Gruppen in Gewerkschaften dazu beitragen kann, Ungerechtigkeit unter Gewerkschaftsmitgliedern abzubauen und die Gewerkschaften insgesamt zu stärken. Beispielhaft wurde dazu die Repräsentation von Jugendlichen, Frauen und ImmigrantInnen in der IG Metall von 1949 bis 2020 empirisch unter folgenden Fragestellungen untersucht: Welche Formen der Gruppenrepräsentation in der IG Metall gab es und inwieweit eigneten sie sich dazu, die IG Metall gerechter zu machen? Welche Faktoren begünstigten oder erschwerten eine Gruppenrepräsentation von Jugendlichen, Frauen und ImmigrantInnen, die die IG Metall gerechter und stärker macht? Im Rückgriff auf die Grounded-Theory-Methodologie werden Erkenntnisse aus Literaturarbeit und Empirie in einer neu entstehenden Theorie eng verzahnt. Die Erkenntnisse aus der Literatur werden zusammengetragen und systematisch auf den Forschungsgegenstand bezogen. Insbesondere werden das Konzept der sozialen Gruppen von Iris Marion Young und das Konzept der Entscheidungsprämissen von Niklas Luhmann erläutert und an Gewerkschaften angepasst. Empirische Befunde werden aus einer Untersuchung von Schriftquellen aus der IG Metall mittels der Grounded-Theory-Methodologie generiert, wobei die Protokolle von bundesweiten Personengruppenkonferenzen der IG Metall die Hauptquelle bilden. Auf diesem Weg werden die Konflikte um Gruppenrepräsentation innerhalb der IG Metall, deren Ursachen, AkteurInnen, Argumente und Strategien sowie Konsequenzen beleuchtet. Das Ergebnisse der Untersuchung lautet, dass Gruppenrepräsentation Gewerkschaften gerechter und stärker machen kann. Ob das gelingt, hängt allerdings von den konfliktiven Aushandlungsprozessen um ihre Ausgestaltung ab. In den in der IG Metall beobachteten Konflikten wurde austariert, wie groß die Spielräume für Jugendliche, Frauen und ImmigrantInnen waren, d. h. wie viel Einfluss sie hatten und wie selbstbestimmt sie arbeiten konnten. Diese Konfliktkonstellation ergibt sich aus dreierlei: Betrachtet man die Unterdrückungsachsen Alter, Geschlecht und Rassismus, stellt man fest, dass sich in Gewerkschaften sowohl Menschen organisieren, die entlang dieser Achsen unterdrückt sind (Jugendliche, Frauen, ImmigrantInnen), als auch Menschen, die privilegiert sind (Erwachsene, Männer, Deutsche). Deshalb ist in Gewerkschaften beides angelegt: den Unterdrückungsmustern entgegenzuwirken und sie zu reproduzieren. In welchem Verhältnis beides steht, wird gewerkschaftsintern verhandelt. 
 Die IG Metall hatte eine zentralistische Organisation mit vergleichsweise privilegierten sozialen Gruppen im Zentrum. Dieses unmarkierte Zentrum wandelt sich zwar, erweist sich aber als im Kern dominiert durch erwachsene männliche deutsche Normalarbeitnehmer, also von auf allen untersuchten Unterdrückungsachsen privilegierten Menschen. 
 Die unterdrückten sozialen Gruppen Jugendliche, Frauen und ImmigrantInnen waren als „Andere“ konstruiert und wurden in teilautonomen Strukturen mit festgelegten Zugehörigkeitskriterien außerhalb des Machtzentrums organisatorisch abgebildet. Die Größe ihrer Spielräume wurde von ihren Machtressourcen beeinflusst. Mit dem Bild von „Spielräumen oder Spielwiesen“ wird problematisiert, dass die Einbettung der institutionalisierten Gruppenstrukturen in die IG Metall durch anhaltende Kämpfe um ihre Ausgestaltung geprägt war. „Spielwiese“ (bei den Jugendlichen) steht genauso wie „Plätzchenrezeptaustauschbörse“ (bei den Frauen) und „bunte Folklore“ (bei den ImmigrantInnen) für ein Negativbild, mit dem die Angehörigen unterdrückter sozialer Gruppen die Einbindung ihrer Gruppenstruktur in die IG Metall als paternalistische Marginalisierung kritisierten. All diese Negativbilder werfen die AktivistInnen auf das Klischee ihrer Gruppe zurück, gleichzeitig schwingt etwas Positives mit, nämlich dass (mit nicht unbeträchtlichem Ressourcenaufwand) ein geschützter Raum mit Entfaltungsmöglichkeiten für die Gruppen bereitgestellt wird. Die Arbeit endet mit organisationspolitischen Empfehlungen an die IG Metall und andere Gewerkschaften und einem Katalog der Möglichkeiten für Menschen, die sich als Gruppenangehörige in Gewerkschaften marginalisiert fühlen