Die Autoren haben nichts anzuerkennen.

Alle Materialien und Methoden wurden von der Ethikkommission der Universität Ulm genehmigt und nach den genehmigten Richtlinien durchgeführt. Alle Teilnehmer gaben ihre schriftliche Einverständniserklärung ab.
1. Etablierung eines geeigneten Studienumfelds
HINWEIS: Die Studie wurde in einer kontrollierten Umgebung durchgeführt, um mit der komplexen Hardware-Umgebung fertig zu werden. Den Studienteilnehmern wurden die verwendeten Mixed-Reality-Datenbrillen (siehe Materialverzeichnis) und der Laptop für die 2D-Anwendung erläutert.
<ol><li>Überprüfen Sie die technische Lösung vor jedem Teilnehmer; im Standardmodus eingestellt. Bereiten Sie die Fragebögen vor und legen Sie sie neben einen Teilnehmer.</li>
	<li>Lassen Sie die Teilnehmer Aufgaben aus den Anwendungsfällen Ausreißererkennung und Clustererkennung in einer Sitzung lösen (d. h. die durchschnittliche Zeit betrug 43 Minuten).</li>
	<li>Beginnen Sie die Studie, indem Sie die Teilnehmer begrüßen und das Ziel der Studie sowie den Gesamtablauf vorstellen.</li>
	<li>Teilnehmer, die das Hautleitfähigkeitsmessgerät (siehe Materialtabelle) verwenden, müssen eine kurze Ruhephase einhalten, um eine Basismessung zu erhalten. Nur die Hälfte der Teilnehmer nutzte dieses Gerät.</li>
	<li>Alle Teilnehmer müssen vor Beginn des Experiments den Fragebogen31 zum State-Trait Anxiety Inventory (STAI) ausfüllen.<ol><li>Als nächstes müssen die Teilnehmer den mentalen Rotationstest durchführen (siehe Abbildung 4, dieser Test bewertete die räumlichen Vorstellungsfähigkeiten), der die Grundlage für die Unterscheidung von High von Low Performer war (High Performer sind fortgeschrittene Benutzer, während Low Performer Anfänger sind), gefolgt von dem räumlichen Klangtest, um die räumlichen Hörfähigkeiten eines Teilnehmers zu messen. HINWEIS: Eine mediane Aufteilung der Testergebnisse im mentalen Rotationstest32 wurde verwendet, um niedrige von leistungsstarken Personen zu unterscheiden.</li>
	</ol></li>
	<li>Trennen Sie die Teilnehmer nach dem Zufallsprinzip in zwei Gruppen. Beginnen Sie entweder mit der Aufgabe zur Ausreißererkennung oder Clustererkennung, während Sie anschließend mit dem anderen Anwendungsfall fortfahren. Für die Cluster-Erkennungsaufgabe begann die Hälfte der Teilnehmer zunächst mit der verwendeten Mixed-Reality-Datenbrille (siehe Materialtabelle) und nutzte dann die 2D-Anwendung, während die andere Hälfte zunächst mit der 2D-Anwendung begann und dann die Mixed-Reality-Datenbrille nutzte (siehe Materialtabelle). Wählen Sie für die Aufgabe zur Erkennung von Ausreißern nach dem Zufallsprinzip eine Gruppe aus, die akustische Unterstützung erhält, während der andere Teil der Gruppe keine akustische Unterstützung erhält.</li>
	<li>Zum Abschluss der Sitzung müssen die Teilnehmer den Fragebogen31 des State-Trait Anxiety Inventory (STAI) sowie den selbst entwickelten und einen demographischen Fragebogen erneut beantworten.</li>
	<li>Speichern Sie die generierten Daten, die von jeder entwickelten Anwendung automatisch aufgezeichnet wurden, auf dem Speicher des Laptops, nachdem die Sitzung abgeschlossen wurde.</li>
</ol>2. Studienprotokoll für Teilnehmer
<ol><li>Bereiten Sie das Experiment (siehe Abbildung 2 für den Raum des Experiments) für jeden Teilnehmer vor. Präsentieren Sie den Desktop-PC, die verwendeten Mixed-Reality-Datenbrillen und verteilen Sie die Fragebögen.</li>
	<li>Informieren Sie die Teilnehmer darüber, dass das Experiment 40 bis 50 Minuten dauern wird und dass die Hälfte von ihnen nach den Vortests (siehe Punkte 3-6 des Studienprotokolls) zunächst mit dem Ausreißer-Erkennungstest (siehe Punkt 7 des Studienprotokolls) beginnt, gefolgt vom Cluster-Erkennungstest (siehe Punkt 8 des Studienprotokolls), während die anderen diese beiden Tests umgekehrt durchführen (d. h. Punkt 8 des Studienprotokolls vor Punkt 7).</li>
	<li>Entscheiden Sie nach dem Zufallsprinzip, ob eine Hautleitfähigkeitsmessung durchgeführt wird. Falls dies der Fall ist, bereiten Sie das Hautleitfähigkeitsmessgerät33 vor und weisen Sie den Teilnehmer an, das Gerät anzulegen. Fordern Sie von den Teilnehmern eine kurze Ruhephase an, um eine Basismessung für ihr Stressniveau zu erhalten.</li>
	<li>Bitten Sie die Teilnehmer, den Fragebogen31 (State-Trait Anxiety Inventory) auszufüllen und sie darüber zu informieren, dass er den aktuell wahrgenommenen Stress vor dem Experiment misst.</li>
	<li>Führen Sie einen mentalen Rotationstest durch.<ol><li>Informieren Sie die Teilnehmer darüber, dass ihre mentalen Rotationsfähigkeiten bewertet werden, und führen Sie sie vor einen Desktop-Computer. Informieren Sie die Teilnehmer über den Testablauf. Beachten Sie, dass sie ähnliche Objekte identifizieren mussten, die unterschiedliche Positionen in einem simulierten 3D-Raum hatten.</li>
		<li>Informieren Sie die Teilnehmer, dass nur zwei der fünf gezeigten Objekte ähnlich sind und dass sie für den gesamten Test 2 Minuten Zeit haben. Informieren Sie die Teilnehmer, dass sieben Aufgaben innerhalb der vorgegebenen 2 Minuten erledigt werden können, und teilen Sie ihnen mit, dass für jede erledigte Aufgabe Leistungskennzahlen aufgezeichnet werden.</li>
	</ol></li>
	<li>Bewerten Sie räumliche Klangfähigkeiten.<ol><li>Informieren Sie die Teilnehmer, dass ihre räumlichen Klangfähigkeiten bewertet werden, und führen Sie sie vor einen Desktop-Computer. Informieren Sie die Teilnehmer über den Testablauf. Erklären Sie den Teilnehmern, dass sechs Klangbeispiele erkannt werden müssen, die jeweils 13 Sekunden lang abgespielt werden.</li>
		<li>Informieren Sie die Teilnehmer, dass sie die Richtung (analog zu den vier Himmelsrichtungen) erkennen müssen, aus der der Schall kommt.</li>
	</ol></li>
	<li>Bewerten Sie die Fähigkeiten zur Erkennung von Ausreißern.<ol><li>Fordern Sie die Teilnehmer auf, die Mixed-Reality-Smartglasses aufzusetzen. Erklären Sie ihnen, dass Ausreißer in der Welt gefunden werden müssen, die für die Mixed-Reality-Smartglasses geschaffen wurde.</li>
		<li>Informieren Sie sie weiter, dass ein Ausreißer ein rot markierter Punkt ist, alle anderen Punkte sind weiß markiert. Erklären Sie ihnen dann, dass sie ihren Blick auf den rot gefärbten Punkt richten müssen, um ihn zu erkennen.</li>
		<li>Informieren Sie die Teilnehmer weiter, dass nicht nur visuelle Hilfe geleistet wird, sondern auch Umgebungsgeräusche sie dabei unterstützen, Ausreißer zu finden. Geben Sie den Teilnehmern die Information, dass sie 8 Ausreißeraufgaben zu bewältigen haben, was bedeutet, dass 8 Mal in der virtuellen Welt der rot eingefärbte Punkt gefunden werden muss. Für jeden Teilnehmer sind 4 Aufgaben sound-unterstützt, während 4 Aufgaben sound-ununterstützt sind. Für jeden Teilnehmer wird zufällig ausgewählt, ob er eine Aufgabe soundgestützt startet oder nicht. Abhängig von der ersten Aufgabe wechselt es dann von Aufgabe zu Aufgabe, ob eine fundierte Unterstützung geleistet wird oder nicht.</li>
		<li>Teilen Sie den Teilnehmern mit, welche Informationen aufgezeichnet werden: benötigte Zeit für jede Aufgabe, Länge des Gehens und wie ihre endgültige Bewegungsposition in Bezug auf ihre Ausgangsposition aussieht. Sagen Sie den Teilnehmern schließlich, dass der rot markierte Punkt grün wird, wenn er erkannt wurde (siehe Abbildung 3).</li>
	</ol></li>
	<li>Bewerten Sie die Fähigkeiten zur Clustererkennung.<ol><li>Entscheiden Sie nach dem Zufallsprinzip für den Teilnehmer, ob er zuerst die Mixed-Reality-Datenbrille verwendet oder den Teilnehmer an einen Desktop-Computer führt. Im Folgenden wird nur die Vorgehensweise für das Mixed-Reality-Setting beschrieben. Startet ein Teilnehmer zunächst mit dem Desktop-Computer, ist die Vorgehensweise in geänderter Reihenfolge gleich und bis auf die Sprachbefehle werden diese nur bei Verwendung der Mixed-Reality-Lösung zur Verfügung gestellt.</li>
		<li>Für Teilnehmer, die Mixed Reality nutzen: Bitten Sie die Teilnehmer, die Mixed-Reality-Smartglasses aufzusetzen. Informieren Sie die Teilnehmer, wie sie Cluster in der Welt finden können, die mit den verwendeten Mixed-Reality-Smartglasses erstellt wurden. Betonen Sie den Teilnehmern, dass sie zwischen überlappenden Clustern unterscheiden mussten, indem sie sich um sie herum bewegten.</li>
		<li>Für Teilnehmer, die Mixed Reality nutzen: Erklären Sie den Teilnehmern, dass sie mit Sprachbefehlen in der virtuellen Welt und in den Clustern navigieren können. Sagen Sie den Teilnehmern schließlich, dass sie sechs Cluster erkennen mussten.</li>
		<li>Für Teilnehmer, die Mixed Reality verwenden: Fordern Sie die Teilnehmer auf, die verwendeten Mixed-Reality-Smartglasses zu entfernen. Führen Sie die Teilnehmer zu einem Desktop-Computer und fordern Sie sie auf, die auf dem Bildschirm des Desktop-Computers angezeigte Software zu verwenden. Informieren Sie sie, dass die gleiche Art von Clustern wie in den verwendeten Mixed-Reality-Smartglasses mit der Software auf dem Desktop-Computer erkannt werden musste (siehe Abbildung 7 und Abbildung 8).</li>
	</ol></li>
	<li>Bitten Sie die Teilnehmer, drei Fragebögen auszufüllen, nämlich den Fragebogen 31 (State-Trait Anxiety Inventory)31, einen selbst entwickelten Fragebogen zum Sammeln von subjektivem Feedback und einen demografischen Fragebogen, um Informationen über sie zu sammeln.</li>
	<li>Fordern Sie die Teilnehmer auf, das Hautleitfähigkeitsmessgerät33 zu entfernen, wenn sie zu Beginn aufgefordert wurden, es anzulegen.</li>
	<li>Entlasten Sie die Teilnehmer vom Experiment, indem Sie sich für die Teilnahme bedanken.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Korinth, M., Sommer-Dittrich, T., Reichert, M., Pryss, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+Evaluation+of+a+Virtual+Reality-Based+Car+Configuration+Concept.">Design and Evaluation of a Virtual Reality-Based Car Configuration Concept.</a> Science and Information Conference. , 169-189 (2019).</li><li>Whalen, T. E., No&#235;l, S., Stewart, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+the+human+side+of+virtual+reality.">Measuring the human side of virtual reality.</a> IEEE International Symposium on Virtual Environments, Human-Computer Interfaces and Measurement Systems, 2003. , 8-12 (2003).</li><li>Martens, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=It+feels+real:+physiological+responses+to+a+stressful+virtual+reality+environment+and+its+impact+on+working+memory.">It feels real: physiological responses to a stressful virtual reality environment and its impact on working memory.</a> Journal of Psychopharmacology. 33 (10), 1264-1273 (2019).</li><li>Keim, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Information+visualization+and+visual+data+mining.">Information visualization and visual data mining.</a> IEEE transactions on Visualization and Computer Graphics. 8 (1), 1-8 (2002).</li><li>Dwyer, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Immersive+analytics:+An+introduction.">Immersive analytics: An introduction.</a> Immersive analytics. , 1-23 (2018).</li><li>Moloney, J., Spehar, B., Globa, A., Wang, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+affordance+of+virtual+reality+to+enable+the+sensory+representation+of+multi-dimensional+data+for+immersive+analytics:+from+experience+to+insight.">The affordance of virtual reality to enable the sensory representation of multi-dimensional data for immersive analytics: from experience to insight.</a> Journal of Big Data. 5 (1), 53 (2018).</li><li>Davis, F. D., Riedl, R., Vom Brocke, J., L&#233;ger, P. M., Randolph, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Information Systems and Neuroscience. , (2018).</li><li>Huckins, J. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fusing+mobile+phone+sensing+and+brain+imaging+to+assess+depression+in+college+students.">Fusing mobile phone sensing and brain imaging to assess depression in college students.</a> Frontiers in Neuroscience. 13, 248 (2019).</li><li>Preece, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Human-computer interaction. , (1994).</li><li>Card, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The psychology of human-computer interaction. , (2018).</li><li>Pelayo, S., Senathirajah, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+factors+and+sociotechnical+issues.">Human factors and sociotechnical issues.</a> Yearbook of Medical Informatics. 28 (01), 078-080 (2019).</li><li>Bangor, A., Kortum, P., Miller, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Determining+what+individual+SUS+scores+mean:+adding+an+adjective+rating+scale.">Determining what individual SUS scores mean: adding an adjective rating scale.</a> Journal of Usability Studies. 4 (3), 114-123 (2009).</li><li>Krahmer, E., Ummelen, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thinking+about+thinking+aloud:+A+comparison+of+two+verbal+protocols+for+usability+testing.">Thinking about thinking aloud: A comparison of two verbal protocols for usability testing.</a> IEEE Transactions on Professional Communication. 47 (2), 105-117 (2004).</li><li>Hornb&#230;k, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+practice+in+measuring+usability:+Challenges+to+usability+studies+and+research.">Current practice in measuring usability: Challenges to usability studies and research.</a> International Journal of Human-Computer Studies. 64 (2), 79-102 (2006).</li><li>Peppa, V., Lysikatos, S., Metaxas, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human-Computer+interaction+and+usability+testing:+Application+adoption+on+B2C+websites.">Human-Computer interaction and usability testing: Application adoption on B2C websites.</a> Global Journal of Engineering Education. 14 (1), 112-118 (2012).</li><li>Alwashmi, M. F., Hawboldt, J., Davis, E., Fetters, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+iterative+convergent+design+for+mobile+health+usability+testing:+mixed-methods+approach.">The iterative convergent design for mobile health usability testing: mixed-methods approach.</a> JMIR mHealth and uHealth. 7 (4), 11656 (2019).</li><li>System Usability Scale (SUS). Assistant Secretary for Public Affairs Available from: <a target="_blank" href="https://www.hhs.gov/about/agencies/aspa/how-to-and-tools/methods/system-usability-scale.html">https://www.hhs.gov/about/agencies/aspa/how-to-and-tools/methods/system-usability-scale.html</a> (2013)</li><li>Fang, Y. M., Lin, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Usability+Testing+of+VR+Interface+for+Tourism+Apps.">The Usability Testing of VR Interface for Tourism Apps.</a> Applied Sciences. 9 (16), 3215 (2019).</li><li>Pryss, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exploring+the+Time+Trend+of+Stress+Levels+While+Using+the+Crowdsensing+Mobile+Health+Platform,+TrackYourStress,+and+the+Influence+of+Perceived+Stress+Reactivity:+Ecological+Momentary+Assessment+Pilot+Study.">Exploring the Time Trend of Stress Levels While Using the Crowdsensing Mobile Health Platform, TrackYourStress, and the Influence of Perceived Stress Reactivity: Ecological Momentary Assessment Pilot Study.</a> JMIR mHealth and uHealth. 7 (10), 13978 (2019).</li><li>Zugal, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Investigating+expressiveness+and+understandability+of+hierarchy+in+declarative+business+process+models.">Investigating expressiveness and understandability of hierarchy in declarative business process models.</a> Software &amp; Systems Modeling. 14 (3), 1081-1103 (2015).</li><li>Schobel, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Learnability+of+a+configurator+empowering+end+users+to+create+mobile+data+collection+instruments:+usability+study.">Learnability of a configurator empowering end users to create mobile data collection instruments: usability study.</a> JMIR mHealth and uHealth. 6 (6), 148 (2018).</li><li>Schobel, J., Probst, T., Reichert, M., Schickler, M., Pryss, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enabling+Sophisticated+Lifecycle+Support+for+Mobile+Healthcare+Data+Collection+Applications.">Enabling Sophisticated Lifecycle Support for Mobile Healthcare Data Collection Applications.</a> IEEE Access. 7, 61204-61217 (2019).</li><li>Hoppenstedt, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dimensionality+Reduction+and+Subspace+Clustering+in+Mixed+Reality+for+Condition+Monitoring+of+High-Dimensional+Production+Data.">Dimensionality Reduction and Subspace Clustering in Mixed Reality for Condition Monitoring of High-Dimensional Production Data.</a> Sensors. 19 (18), 3903 (2019).</li><li>Winter, M., Pryss, R., Probst, T., Reichert, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+the+Applicability+of+Measuring+the+Electrodermal+Activity+in+the+Context+of+Process+Model+Comprehension:+Feasibility+Study.">Towards the Applicability of Measuring the Electrodermal Activity in the Context of Process Model Comprehension: Feasibility Study.</a> Sensors. 20, 4561 (2020).</li><li>Butscher, S., Hubenschmid, S., M&#252;ller, J., Fuchs, J., Reiterer, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Clusters,+trends,+and+outliers:+How+immersive+technologies+can+facilitate+the+collaborative+analysis+of+multidimensional+data.">Clusters, trends, and outliers: How immersive technologies can facilitate the collaborative analysis of multidimensional data.</a> Proceedings of the 2018 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems. , 1-12 (2018).</li><li>Wagner Filho, J. A., Rey, M. F., Freitas, C. M. D. S., Nedel, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Immersive+analytics+of+dimensionally-reduced+data+scatterplots.">Immersive analytics of dimensionally-reduced data scatterplots.</a> 2nd Workshop on Immersive Analytics. , (2017).</li><li>Batch, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=There+is+no+spoon:+Evaluating+performance,+space+use,+and+presence+with+expert+domain+users+in+immersive+analytics.">There is no spoon: Evaluating performance, space use, and presence with expert domain users in immersive analytics.</a> IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. 26 (1), 536-546 (2019).</li><li>Towards hmd-based immersive analytics. HAL Available from: <a target="_blank" href="https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01631306">https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01631306</a> (2017)</li><li>Luboschik, M., Berger, P., Staadt, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+spatial+perception+issues+in+augmented+reality+based+immersive+analytics.">On spatial perception issues in augmented reality based immersive analytics.</a> Proceedings of the 2016 ACM Companion on Interactive Surfaces and Spaces. , 47-53 (2016).</li><li>Fonnet, A., Pri&#233;, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Survey+of+Immersive+Analytics.">Survey of Immersive Analytics.</a> IEEE Transactions on Visualization and Computer. , (2019).</li><li>Spielberger, C. D., Gorsuch, R. L., Lushene, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=STAI+Manual+for+the+Stait-Trait+Anxiety+Inventory+(self-evaluation+questionnaire).">STAI Manual for the Stait-Trait Anxiety Inventory (self-evaluation questionnaire).</a> Consulting Psychologist. 22, 1-24 (1970).</li><li>Vandenberg, S. G., Kuse, A. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mental+rotations,+a+group+test+of+three-dimensional+spatial+visualization.">Mental rotations, a group test of three-dimensional spatial visualization.</a> Perceptual Motor Skills. 47 (2), 599-604 (1978).</li><li>H&#228;rtel, S., Gnam, J. P., L&#246;ffler, S., B&#246;s, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Estimation+of+energy+expenditure+using+accelerometers+and+activity-based+energy+models-Validation+of+a+new+device.">Estimation of energy expenditure using accelerometers and activity-based energy models-Validation of a new device.</a> European Review of Aging and Physical Activity. 8 (2), 109-114 (2011).</li><li>. RPY2: A Simple and Efficient Access to R from Python Available from: <a target="_blank" href="https://sourceforge.net/projects/rpy/">https://sourceforge.net/projects/rpy/</a> (2020)</li><li>Hoppenstedt, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applicability+of+immersive+analytics+in+mixed+reality:+Usability+study.">Applicability of immersive analytics in mixed reality: Usability study.</a> IEEE Access. 7, 71921-71932 (2019).</li><li>Hoppenstedt, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applicability+of+Immersive+Analytics+in+Mixed+Reality:+Usability+Study.">Applicability of Immersive Analytics in Mixed Reality: Usability Study.</a> IEEE Dataport. , (2019).</li></ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Im Hinblick auf die entwickelte Mixed-Reality-Datenbrille (siehe Materialtabelle) waren zwei Aspekte besonders vorteilhaft. Die Verwendung von Raumgeräuschen für die Detektionsaufgabe des Ausreißers wurde einerseits positiv wahrgenommen (siehe Ergebnisse von RQ3). Zum anderen wurde auch die Verwendung von Sprachbefehlen positiv wahrgenommen (siehe Abbildung 10).
Was die Studienteilnehmer betrifft, so war die Zahl der rekrutierten Teilnehmer zwa...

Virtual-Reality-Lösungen (VR-Lösungen) gewinnen in verschiedenen Bereichen zunehmend an Bedeutung. Oft soll mit VR-Lösungen (u.a. Virtual Reality, Mixed Reality und Augmented Reality) die Erledigung vieler alltäglicher Aufgaben und Abläufe erleichtert werden. Im Automotive-Bereich kann beispielsweise der Konfigurationsprozess eines Autos durch den Einsatz von Virtual Reality1 (VR) unterstützt werden. Forscher und Praktiker haben in diesem Zusammenhang eine Vielzahl von Ansätzen und Lösungen untersucht und entwickelt. Studien, die Usability-Aspekte untersuchen, sind jedoch noch selten. Generell sollten die Aspekte im Lichte von zwei Hauptfragen betrachtet werden. Zunächst muss bewertet werden, ob eine VR-Lösung tatsächlich besser abschneidet als ein Ansatz, der keine VR-Techniken nutzt. Zweitens, da VR-Lösungen hauptsächlich auf schwere und komplexe Hardware-Geräte angewiesen sind, sollten Parameter wie der Tragekomfort und die mentale Anstrengung genauer untersucht werden. Darüber hinaus sollten die genannten Aspekte immer im Hinblick auf das jeweilige Anwendungsgebiet untersucht werden. Obwohl viele bestehende Ansätze die Notwendigkeit sehen, diese Fragen zu untersuchen2, gibt es weniger Studien, die Ergebnisse vorgelegt haben.
Ein Forschungsthema im Bereich VR, das aktuell wichtig ist, wird mit Immersive Analytics bezeichnet. Es leitet sich aus dem Forschungsfeld Visual Analytics ab, das versucht, die menschliche Wahrnehmung in analytische Aufgaben einzubeziehen. Dieser Prozess ist auch als Visual Data Mining4 bekannt. Immersive Analytics umfasst Themen aus den Bereichen Datenvisualisierung, Visual Analytics, Virtual Reality, Computergrafik und Mensch-Computer-Interaktion5. Die jüngsten Vorteile von Head-Mounted-Displays (HMD) führten zu verbesserten Möglichkeiten, Daten auf immersive Weise zu erkunden. Entlang dieser Trends ergeben sich neue Herausforderungen und Forschungsfragen, wie die Entwicklung neuer Interaktionssysteme, die Notwendigkeit, die Ermüdung der Nutzer zu untersuchen, oder die Entwicklung anspruchsvoller 3D-Visualisierungen6. In einer früheren Veröffentlichung6 werden wichtige Prinzipien der immersiven Analytik diskutiert. Angesichts von Big Data werden Methoden wie Immersive Analytics immer mehr benötigt, um komplexe Datenbestände besser analysieren zu können. Es gibt nur wenige Studien, die Usability-Aspekte von Immersive-Analytics-Lösungen untersuchen. Darüber hinaus sollte auch die betreffende Domäne oder das betreffende Fachgebiet in solchen Studien berücksichtigt werden. In dieser Arbeit wurde ein Immersive-Analytics-Prototyp entwickelt und darauf aufbauend ein Protokoll, das die entwickelte Lösung für Industrie 4.0-Szenarien untersucht. Das Protokoll bedient sich dabei der Erfahrungsmethode2, die auf subjektiven, leistungsbezogenen und physiologischen Aspekten basiert. Im vorliegenden Protokoll werden die subjektiven Aspekte anhand des wahrgenommenen Stresses der Studienteilnehmer gemessen. Die Leistung wiederum wird anhand der erforderlichen Zeit und der Fehler gemessen, die zur Durchführung von Analyseaufgaben auftreten. Schließlich maß ein Hautleitfähigkeitssensor physiologische Parameter. Die ersten beiden Messungen werden in dieser Arbeit vorgestellt, während die gemessene Hautleitfähigkeit weitere Anstrengungen erfordert, um ausgewertet zu werden.
Die vorgestellte Studie umfasst mehrere Forschungsfelder, insbesondere neurowissenschaftliche Aspekte und Informationssysteme. Interessanterweise haben Überlegungen zu neurowissenschaftlichen Aspekten von Informationssystemen in jüngster Zeit die Aufmerksamkeit mehrerer Forschungsgruppen auf sich gezogen7,8, was die Notwendigkeit zeigt, die Nutzung von IT-Systemen auch aus kognitiver Sicht zu untersuchen. Ein weiteres Gebiet, das für diese Arbeit relevant ist, stellt die Untersuchung der menschlichen Faktoren der Informationssysteme 9,10,11 dar. Im Bereich der Mensch-Computer-Interaktion existieren Instrumente, um die Nutzbarkeit einer Lösung zu untersuchen. Beachten Sie, dass in diesem Zusammenhang hauptsächlich die System Usability Scale verwendet wird12. Thinking Aloud Protokolle13 sind eine weitere weit verbreitete Lerntechnik, um mehr über den Einsatz von Informationssystemen zu erfahren. Obwohl es viele Ansätze gibt, um Usability-Aspekte von Informationssystemen zu messen, und einige von ihnen vor langer Zeit vorgestellt wurden14, tauchen immer noch Fragen auf, die es erfordern, neue Maßnahmen oder Untersuchungsmethoden zu untersuchen. Daher ist die Forschung auf diesem Gebiet sehr aktiv12,15,16.
Im Folgenden sollen die Gründe diskutiert werden, warum zwei vorherrschend eingesetzte Methoden in der vorliegenden Arbeit nicht berücksichtigt wurden. Erstens wurde die System Usability Scale nicht verwendet. Die Skala basiert auf zehn Fragen17 und ihre Verwendung findet sich auch in mehreren anderen VR-Studien18. Da diese Studie hauptsächlich auf die Messung von Stress19 abzielt, war ein stressbezogener Fragebogen besser geeignet. Zweitens wurde kein Thinking Aloud Protocol20 verwendet. Obwohl sich dieser Protokolltyp im Allgemeinen als nützlich erwiesen hat13, wurde er hier nicht verwendet, da der Stresspegel der Studienteilnehmer nur aufgrund der Tatsache steigen könnte, dass die Think-Aloud-Sitzung parallel zur Verwendung eines schweren und komplexen VR-Geräts durchgeführt werden muss. Obwohl diese beiden Techniken nicht verwendet wurden, wurden die Ergebnisse anderer neuerer Studien in die vorliegende Studie einbezogen. Zum Beispiel unterscheiden die Autoren in früheren Werken21,22 in ihren Studien zwischen Anfängern und Experten. Basierend auf dem erfolgreichen Ergebnis dieser Studien verwendet das vorliegende Protokoll diese vorgestellte Trennung der Studienteilnehmer. Die Spannungsmessung wiederum basiert auf Ideen der folgenden Arbeiten 15,19,21,22.
Für die Durchführung der Studie muss zunächst ein geeignetes Industrie-4.0-Szenario zur Bewältigung der analytischen Aufgaben gefunden werden. Inspiriert von einer anderen Arbeit der Autoren23 wurden zwei Szenarien (d.h. die Analyseaufgaben) identifiziert, (1) Erkennung von Ausreißern und (2) Erkennung von Clustern. Beide Szenarien sind anspruchsvoll und im Zusammenhang mit der Instandhaltung von Hochdurchsatz-Produktionsmaschinen von hoher Relevanz. Basierend auf dieser Entscheidung haben sechs Hauptüberlegungen das in dieser Arbeit vorgestellte Studienprotokoll bestimmt:
<ol><li>Die für die Studie entwickelte Lösung wird technisch auf Mixed-Reality-Datenbrillen basieren (siehe Materialtabelle) und als Mixed-Reality-Anwendung entwickelt.</li>
	<li>Es muss ein geeigneter Test entwickelt werden, der in der Lage ist, Anfänger von fortgeschrittenen Anwendern zu unterscheiden.</li>
	<li>Leistungskennzahlen sollten Zeit und Fehler berücksichtigen.</li>
	<li>Es muss eine Desktop-Anwendung entwickelt werden, die mit der Immersive-Analytics-Lösung vergleichbar ist.</li>
	<li>Es muss ein Maß angewendet werden, um das wahrgenommene Stressniveau zu bewerten.</li>
	<li>Zusätzlich zu letzterem Punkt sollen Funktionen entwickelt werden, um das Stressniveau zu mindern, während ein Benutzer die Prozedur der beiden genannten Analyseaufgaben (d.h. (1) Erkennung von Ausreißern und (2) Erkennung von Clustern) durchführt.</li>
</ol>Basierend auf den sechs genannten Punkten beinhaltet das Studienprotokoll die folgende Vorgehensweise. Die Aufgaben der Ausreißererkennung und der Clustererkennung müssen mit Hilfe von Mixed-Reality-Datenbrillen immersiv durchgeführt werden (siehe Materialtabelle). Daher wurde eine neue Anwendung entwickelt. Raumgeräusche sollen die Durchführung von Analyseaufgaben erleichtern, ohne die geistige Anstrengung zu erhöhen. Eine Sprachfunktion soll die Navigation erleichtern, die für die entwickelte Anwendung der Mixed-Reality-Datenbrille verwendet wird (siehe Tabelle der Materialien). Ein mentaler Rotationstest soll die Grundlage sein, um Anfänger von fortgeschrittenen Benutzern zu unterscheiden. Der Stresspegel wird anhand eines Fragebogens gemessen. Die Leistung wiederum wird basierend auf der (1) Zeit, die ein Benutzer für die Analyseaufgaben benötigt, und auf der Grundlage der (2) Fehler, die ein Benutzer für die Analyseaufgaben gemacht hat, bewertet. Die Leistung in Mixed-Reality-Smartglass wird mit der Erfüllung der gleichen Aufgaben in einer neu entwickelten und vergleichbaren 2D-Desktop-Anwendung verglichen. Darüber hinaus wird ein Hautleitfähigkeitsgerät verwendet, um den Hautleitwert als möglichen Indikator für Stress zu messen. Die Ergebnisse dieser Messung sind Gegenstand weiterer Analysen und werden in dieser Arbeit nicht diskutiert. Die Autoren zeigten in einer anderen Studie mit dem gleichen Gerät, dass zusätzliche Überlegungen erforderlich sind24.
Basierend auf diesem Protokoll werden die folgenden fünf Forschungsfragen (RQs) bearbeitet:
RQ1: Beeinflussen die räumlichen Vorstellungsfähigkeiten der Teilnehmer signifikant die Erfüllung von Aufgaben? RQ2: Gibt es im Laufe der Zeit eine signifikante Veränderung der Aufgabenleistung? RQ3: Gibt es eine signifikante Änderung der Aufgabenleistung bei der Verwendung von räumlichen Klängen in der Immersive Analytics-Lösung? RQ4: Wird die entwickelte immersive Analytik von den Anwendern als stressig empfunden? RQ5: Erzielen Benutzer eine bessere Leistung bei der Verwendung einer immersiven Analyselösung als bei einem 2D-Ansatz?
Abbildung 1 fasst das vorgestellte Protokoll in Bezug auf zwei Skalen zusammen. Er zeigt die entwickelten und angewandten Maßnahmen und deren Neuheit in Bezug auf die Interaktionsebene. Da die Interaktionsebene einen wichtigen Aspekt bei der Entwicklung von Features für ein VR-Setting darstellt, soll Abbildung 1 die Neuheit des gesamten in dieser Arbeit entwickelten Protokolls besser zeigen. Obwohl die Bewertung der Aspekte innerhalb der beiden verwendeten Skalen subjektiv ist, basiert ihre Gesamtbewertung auf den aktuellen Arbeiten und den folgenden wesentlichen Überlegungen: Ein wichtiges Prinzip stellt die Nutzung von Abstraktionen einer Umgebung für eine natürliche Interaktion dar, auf die sich der Benutzer eingestellt hat. In Bezug auf das vorliegende Protokoll scheint die Visualisierung von Punktwolken für den Benutzer intuitiv zu sein und das Erkennen von Mustern in solchen Wolken wurde allgemein als überschaubare Aufgabe erkannt. Ein weiteres wichtiges Prinzip ist die Überlagerung von Affordancen. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung von räumlichen Klängen, wie sie im vorliegenden Protokoll verwendet werden, da sie mit der Nähe eines gesuchten Objekts korrelieren. Die Autoren empfehlen, die Darstellungen so abzustimmen, dass sich die meisten Informationen in der Zwischenzone befinden, die für die menschliche Wahrnehmung am wichtigsten ist. Der Grund, warum die Autoren dieses Prinzip nicht aufgenommen haben, war, den Benutzer zu ermutigen, den besten Platz selbst zu finden und zu versuchen, sich in einem Datenvisualisierungsraum zu orientieren, der zu groß ist, um sofort angezeigt zu werden. Bei dem vorgestellten Ansatz wurden keine weiteren Überlegungen zu den Eigenschaften der darzustellenden 3D-Daten angestellt. Wenn z. B. angenommen wird, dass eine Dimension zeitlich ist, können Streudiagramme angezeigt werden. Die Autoren halten diese Art der Visualisierung im Kontext von Industrie 4.0 generell für interessant. Es muss sich jedoch auf eine relativ kleine Anzahl von Visualisierungen konzentrieren. Darüber hinaus konzentrierte sich bereits eine frühere Veröffentlichung auf die kollaborative Analyse von Daten. In dieser Arbeit wurde diese Forschungsfrage aufgrund der Komplexität der anderen in dieser Studie behandelten Themen ausgeschlossen. In dem hier vorgestellten Setup ist der Benutzer in der Lage, den immersiven Raum zu erkunden, indem er herumläuft. Andere Ansätze bieten Controller, um den virtuellen Raum zu erkunden. In dieser Studie wird der Fokus auf die Usability mit Hilfe der System Usability Scale (SUS) gelegt. Eine andere frühere Veröffentlichung hat eine Studie für Wirtschaftsexperten durchgeführt, jedoch mit VR-Brillen. Im Allgemeinen, und das ist das Wichtigste, beklagt sich diese Studie über das eingeschränkte Sichtfeld für andere Geräte wie die in dieser Arbeit verwendeten Mixed-Reality-Datenbrillen (siehe Materialtabelle). Ihre Ergebnisse zeigen, dass Einsteiger im Bereich VR in der Lage waren, das Analysewerkzeug effizient zu nutzen. Dies stimmt mit den Erfahrungen dieser Studie überein, obwohl in dieser Arbeit Anfänger nicht als VR- oder Gaming-Erfahrungen eingestuft wurden. Im Gegensatz zu den meisten VR-Lösungen ist Mixed Reality nicht an eine Position gebunden, da sie es ermöglicht, die reale Umgebung zu verfolgen. VR-Ansätze wie die Verwendung von speziellen Stühlen für ein 360°-Erlebnis, um den Nutzer von seinem Desktop zu befreien. Die Autoren von weisen darauf hin, dass Wahrnehmungsprobleme die Leistung von immersiven Analysen beeinflussen. Zum Beispiel durch die Verwendung von Schatten. Für die vorliegende Studie ist dies nicht realisierbar, da die verwendeten Mixed-Reality-Datenbrillen (siehe Materialtabelle) keine Schatten darstellen können. Ein Workaround könnte ein virtueller Boden sein, aber ein solches Setup lag außerhalb des Rahmens dieser Studie. Eine Umfragestudie im Bereich der immersiven Analytik identifizierte 3D-Streudiagramme als eine der häufigsten Darstellungen mehrdimensionaler Daten. Insgesamt können die in Abbildung 1 gezeigten Aspekte derzeit nicht zu einem Protokoll zusammengestellt werden, das Usability-Aspekte von Immersive Analytics für Industrie-4.0-Szenarien untersucht.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>edaMove</td>
			<td>movisens</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HoloLens</td>
			<td>Microsoft</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matlab R2017a</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RPY2</td>
			<td>GNU General Public License v2 or later (GPLv2+) (GPLv2+)</td>
			<td></td>
			<td>https://pypi.org/project/rpy2/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SPSS 25.0</td>
			<td>IBM</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

evaluating usability aspects of a mixed reality solution for immersive analytics in industry 4.0 scenarios

In der Medizin oder Industrie wird zunehmend die Analyse von hochdimensionalen Datensätzen gefordert. Verfügbare technische Lösungen sind jedoch oft komplex in der Anwendung. Daher sind neue Ansätze wie Immersive Analytics willkommen. Immersive Analytics verspricht, hochdimensionale Datensätze auf komfortable Weise für verschiedene Benutzergruppen und Datensätze zu erleben. Technisch werden Virtual-Reality-Geräte verwendet, um immersive Analysen zu ermöglichen. In der Industrie 4.0 sind beispielsweise Szenarien wie die Identifikation von Ausreißern oder Anomalien in hochdimensionalen Datensätzen verfolgte Ziele der Immersive Analytics. In diesem Zusammenhang sollten zwei wichtige Fragen für jede entwickelte technische Lösung zu Immersive Analytics beantwortet werden: Erstens, sind die technischen Lösungen hilfreich oder nicht? Zweitens: Ist die körperliche Erfahrung der technischen Lösung positiv oder negativ? Die erste Frage zielt auf die generelle Machbarkeit einer technischen Lösung ab, die zweite auf den Tragekomfort. Überlieferte Studien und Protokolle, die sich systematisch mit diesen Fragen befassen, sind noch selten. In dieser Arbeit wird ein Studienprotokoll vorgestellt, das vor allem die Nutzbarkeit für immersive Analytics in Industrie 4.0-Szenarien untersucht. Konkret basiert das Protokoll auf vier Säulen. Erstens kategorisiert es Benutzer basierend auf früheren Erfahrungen. Zum anderen werden Aufgaben vorgestellt, anhand derer die Machbarkeit der technischen Lösung bewertet werden kann. Drittens werden Maßnahmen vorgestellt, die den Lerneffekt eines Nutzers quantifizieren. Viertens bewertet ein Fragebogen das Stressniveau bei der Durchführung von Aufgaben. Basierend auf diesen Säulen wurde ein technisches Setting implementiert, das Mixed-Reality-Datenbrillen verwendet, um das Studienprotokoll anzuwenden. Die Ergebnisse der durchgeführten Studie zeigen zum einen die Anwendbarkeit des Protokolls und zum anderen die Machbarkeit von Immersive Analytics in Industrie 4.0-Szenarien. Das vorgestellte Protokoll enthält eine Diskussion der entdeckten Einschränkungen.

Einrichten von Maßnahmen für das Experiment Für die Aufgabe zur Erkennung von Ausreißern wurden die folgenden Leistungskennzahlen definiert: Zeit, Pfad und Winkel. Die Messungen sind in Abbildung 6 dargestellt.
Es wurde Zeit aufgezeichnet, bis ein rot markierter Punkt (d. h. der Ausreißer) gefunden wurde. Dieses Leistungsmaß gibt an, wie lange ein Teilnehmer brauchte, um den rot markierten Punkt zu finden. Die Zeit wird in den Ergebnissen...

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Evaluating Usability Aspects of a Mixed Reality Solution for Immersive Analytics in Industry 4.0 Scenarios

Dieses Protokoll beschreibt die technische Einstellung einer entwickelten Mixed-Reality-Anwendung, die für immersive Analysen verwendet wird. Darauf aufbauend werden Maßnahmen vorgestellt, die in einer Studie eingesetzt wurden, um Erkenntnisse über Usability-Aspekte der entwickelten technischen Lösung zu gewinnen.

Bewertung von Usability-Aspekten einer Mixed-Reality-Lösung für Immersive Analytics in Industrie 4.0-Szenarien

In medicine or industry, the analysis of high-dimensional data sets is increasingly required. However, available technical solutions are often complex to ...

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Serie: Evaluating Usability Aspects of a Mixed Reality Solution for Immersive Analytics in Industry 4.0 Scenarios

Mechanical Expansion of Steel Tubing as a Solution to Leaky Wellbores

Wellbore cement, a procedural component of wellbore completion operations, primarily provides zonal isolation and mechanical support of the metal pipe (casing), and protects metal components from corrosive fluids. These are essential for uncompromised wellbore integrity. Cements can undergo multiple forms of failure, such as debonding at the cement/rock and cement/metal interfaces, fracturing, and defects within the cement matrix. Failures and defects within the cement will ultimately lead to fluid migration, resulting in inter-zonal fluid migration and premature well abandonment. Currently, there are over 1.8 million operating wells worldwide and over one third of these wells have leak related problems defined as Sustained Casing Pressure (SCP)1. 
The focus of this research was to develop an experimental setup at bench-scale to explore the effect of mechanical manipulation of wellbore casing-cement composite samples as a potential technology for the remediation of gas leaks. 
The experimental methodology utilized in this study enabled formation of an impermeable seal at the pipe/cement interface in a simulated wellbore system. Successful nitrogen gas flow-through measurements demonstrated that an existing microannulus was sealed at laboratory experimental conditions and fluid flow prevented by mechanical manipulation of the metal/cement composite sample. Furthermore, this methodology can be applied not only for the remediation of leaky wellbores, but also in plugging and abandonment procedures as well as wellbore completions technology, and potentially preventing negative impacts of wellbores on subsurface and surface environments.

This article reports on a laboratory scale investigation of an existing field procedure and its adaptation for sealing of leaky wellbores. It consists of mechanical expansion of metal pipe, which results in an improved metal/cement bond, ultimate sealing of hydraulic pathways and prevention of gas leaks caused by the presence of a microannular channel.

Mechanische Spannstahlrohr als eine Lösung für Leaky Bohrlöchern

Wellbore cement, a procedural component of wellbore completion operations, primarily provides zonal isolation and mechanical support of the metal pipe ...

Forschung

Ingenieurwesen

Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in industrialized countries. Here, the development of optical mesosensors/adsorbents (MSAs) for efficient recognition and selective recovery of Pd(II), Au(III), and Co(II) from urban mine was achieved. A simple, general method for preparing MSAs based on using high-order mesoporous monolithic scaffolds was described. Hierarchical cubic Ia3d wagon-wheel-shaped MSAs were fabricated by anchoring chelating agents (colorants) into three-dimensional pores and micrometric particle surfaces of the mesoporous monolithic scaffolds. Findings show, for the first time, evidence of controlled optical recognition of Pd(II), Au(III), and Co(II) ions and a highly selective system for recovery of Pd(II) ions (up to ~95%) in ores and industrial wastes. Furthermore, the controlled assessment processes described herein involve evaluation of intrinsic properties (e.g., visual signal change, long-term stability, adsorption efficiency, extraordinary sensitivity, selectivity, and reusability); thus, expensive, sophisticated instruments are not required. Results show evidence that MSAs will attract worldwide attention as a promising technological means of recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals.

Because of the importance and extensive use of palladium, gold and cobalt metals in high-technology equipment, their recovery and recycling constitute an important industrial challenge. The metal recovery system described herein is a simple, low-cost means for the effective detection, removal, and recovery of these metals from the urban mine.

Erkennung und Wiedergewinnung von Palladium, Gold und Kobalt-Metalle aus der Urban-Mine mit Hilfe neuartiger Sensoren / Adsorbentien mit nanoskaligen Wagon-Rad-förmigen Poren Ausgewiesene

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in ...

Gain-compensation Methodology for a Sinusoidal Scan of a Galvanometer Mirror in Proportional-Integral-Differential Control Using Pre-emphasis Techniques

Galvanometer mirrors are used for optical applications such as target tracking, drawing, and scanning control because of their high speed and accuracy. However, the responsiveness of a galvanometer mirror is limited by its inertia; hence, the gain of a galvanometer mirror is reduced when the control path is steep. In this research, we propose a method to extend the corresponding frequency using a pre-emphasis technique to compensate for the gain reduction of galvanometer mirrors in sine-wave path tracking using proportional-integral-differential (PID) control. The pre-emphasis technique obtains an input value for a desired output value in advance. Applying this method to control the galvanometer mirror, the raw gain of a galvanometer mirror in each frequency and amplitude for sine-wave path tracking using a PID controller was calculated. Where PID control is not effective, maintaining a gain of 0 dB to improve the trajectory tracking accuracy, it is possible to expand the speed range in which a gain of 0 dB can be obtained without tuning the PID control parameters. However, if there is only one frequency, amplification is possible with a single pre-emphasis coefficient. Therefore, a sine wave is suitable for this technique, unlike triangular and sawtooth waves. Hence, we can adopt a pre-emphasis technique to configure the parameters in advance, and we need not prepare additional active control models and hardware. The parameters are updated immediately within the next cycle because of the open loop after the pre-emphasis coefficients are set. In other words, to regard the controller as a black box, we need to know only the input-to-output ratio, and detailed modeling is not required. This simplicity allows our system to be easily embedded in applications. Our method using the pre-emphasis technique for a motion-blur compensation system and the experiment conducted to evaluate the method are explained.

We propose a method to extend the corresponding frequency by using a pre-emphasis technique. This method compensates for the gain reduction of a galvanometer mirror in sine-wave path tracking using proportional-integral-differential control.

Gewinn-Kompensationsmethode für eine Sinusförmige Scan eines Galvanometer-Spiegel im Proportional-Integral-Differential Steuerung über Pre-Emphasis-Techniken

Galvanometer mirrors are used for optical applications such as target tracking, drawing, and scanning control because of their high speed and accuracy. ...

Three-electrode Coin Cell Preparation and Electrodeposition Analytics for Lithium-ion Batteries

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and subsequent safety issues becomes increasingly important. In a Li-ion cell setup, the voltage measurement across the positive and negative terminals inherently includes the effect of the cathode and anode which are coupled and sum to the total cell performance. Accordingly, the ability to monitor the degradation aspects associated with a specific electrode is extremely difficult because the electrodes are fundamentally coupled. A three-electrode setup can overcome this problem. By introducing a third (reference) electrode, the influence of each electrode can be decoupled, and the electrochemical properties can be measured independently. The reference electrode (RE) must have a stable potential that can then be calibrated against a known reference, for example, lithium metal. The three-electrode cell can be used to run electrochemical tests such as cycling, cyclic voltammetry, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Three-electrode cell EIS measurements can elucidate the contribution of individual electrode impedance to the full cell. In addition, monitoring the anode potential allows the detection of electrodeposition due to lithium plating, which can cause safety concerns. This is especially important for the fast charging of Li-ion batteries in electric vehicles. In order to monitor and characterize the safety and degradation aspects of an electrochemical cell, a three-electrode setup can prove invaluable. This paper aims to provide a guide to constructing a three-electrode coin cell setup using the 2032-coin cell architecture, which is easy to produce, reliable, and cost-effective.

Three-electrode cells are useful in studying the electrochemistry of lithium-ion batteries. Such an electrochemical setup allows the phenomena associated with the cathode and anode to be decoupled and examined independently. Here, we present a guide for construction and use of a three-electrode coin cell with emphasis on lithium plating analytics.

Drei-Elektroden-Münze Zelle Vorbereitung und Galvanisierung Analytics für Lithium-Ionen-Batterien

As lithium-ion batteries find use in high energy and power applications, such as in electric and hybrid-electric vehicles, monitoring the degradation and ...

Application of Design Aspects in Uniaxial Loading Machine Development

In terms of accurate and precise mechanical testing, machines run the continuum. Whereas commercial platforms offer excellent accuracy, they can be cost-prohibitive, often priced in the $100,000 - $200,000 price range. At the other extreme are stand-alone manual devices that often lack repeatability and accuracy (e.g., a manual crank device). However, if a single use is indicated, it is over-engineering to design and machine something overly elaborate. Nonetheless, there are occasions where machines are designed and built in-house to accomplish a motion not attainable with the existing machines in the laboratory. Described in detail here is one such device. It is a loading platform that enables pure uniaxial loading. Standard loading machines typically are biaxial in that linear loading occurs along the axis and rotary loading occurs about the axis. During testing with these machines, a load is applied to one end of the specimen while the other end remains fixed. These systems are not capable of conducting pure axial testing in which tension/compression is applied equally to the specimen ends. The platform developed in this paper enables the equal and opposite loading of specimens. While it can be used for compression, here the focus is on its use in pure tensile loading. The device incorporates commercial load cells and actuators (movers) and, as is the case with machines built in-house, a frame is machined to hold the commercial parts and fixtures for testing.

Here we present a protocol to develop a pure uniaxial loading machine. Critical design aspects are employed to ensure accurate and reproducible testing results.

Anwendung von Gestaltungsmerkmalen einachsiger Belastung Maschinenentwicklung

In terms of accurate and precise mechanical testing, machines run the continuum. Whereas commercial platforms offer excellent accuracy, they can be ...

3D Printing - Evaluating Particle Emissions of a 3D Printing Pen

Three-dimensional (3D) printing as a type of additive manufacturing shows continuing increase in application and consumer popularity. The fused filament fabrication (FFF) is an inexpensive method used most frequently by consumers. Studies with 3D printers have shown that during the printing process particulate and volatile substances are released. Handheld 3D printing pens also use the FFF method but the consumer&#8217;s proximity to the 3D pens gives reason to higher exposure compared to a 3D printer. At the same time, 3D printing pens are often marketed for children who could be more sensitive to the printing emission. The aim of this study was to implement a low cost method to analyze the emissions of 3D printing pens. Polylactide (PLA) and acrylonitrile butadiene styrene (ABS) filaments of different colors were tested. In addition, filaments containing metal and carbon nanotubes (CNTs) were analyzed. An 18.5 L chamber and sampling close to the emission source was used to characterize emissions and concentrations near the breathing zone of the user.
Particle emissions and particle size distributions were measured and the potential release of metal particles and CNTs investigated. Particle number concentrations were found in a range of 105 - 106 particles/cm3, which is comparable to previous reports from 3D printers. Transmission electron microscopy (TEM) analysis showed nanoparticles of the different thermoplastic materials as well as of metal particles and CNTs. High contents of metal were observed by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS).
These results call for a cautious use of 3D pens due to potential risk to the consumers.

This protocol presents a method to analyze the emission of 3D printing pens. Particle concentration and particle size distribution of the released particle is measured. Released particles are further analyzed with transmission electron microscopy (TEM). Metal content in filaments is quantified by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS).

3D-Druck - Bewertung der Partikelemissionen eines 3D-Druckstifts

Three-dimensional (3D) printing as a type of additive manufacturing shows continuing increase in application and consumer popularity. The fused filament ...

Solution Blow Spinning of Polymeric Nano-Composite Fibers for Personal Protective Equipment

Light-weight, protective armor systems typically consist of high modulus (&#62;109 MPa) and high-strength polymeric fibers held in place with an elastic resin material (binder) to form a non-woven, unidirectional laminate. While significant efforts have focused on improving the mechanical properties of the high-strength fibers, little work has been undertaken to improve the properties of the binder materials. To improve the performance of these elastomeric polymer binders, a relatively new and simple fabrication process, known as solution blow spinning, was used. This technique is capable of producing sheets or webs of fibers with average diameters ranging from the nanoscale to the microscale. To achieve this, a solution blow spinning (SBS) apparatus has been designed and built in the laboratory to fabricate non-woven fiber mats from polymer elastomer solutions.
In this study, a commonly used binder material, a styrene-butadiene-styrene block-co-polymer dissolved in tetrahydrofuran, was used to produce nanocomposite fiber mats by adding metallic nanoparticles (NPs), such as iron oxide NPs, that were encapsulated with silicon oil and thus incorporated in the fibers formed via the SBS process. The protocol described in this work will discuss the effects of the various critical parameters involved in the SBS process, including the polymer molar mass, the selection of the thermodynamically appropriate solvent, the polymer concentration in solution, and the carrier gas pressure to assist others in performing similar experiments, as well as provide guidance to optimize the configuration of the experimental setup. The structural integrity and morphology of the resultant non-woven fiber mats were examined using scanning electron microscopy (SEM) and elemental X-ray analysis via energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The goal of this study is to evaluate the effects of the various experimental parameters and material selections to optimize the structure and morphology of the SBS fiber mats.

The primary goal of this study is to describe a protocol to prepare polymeric fiber mats with consistent morphology via solution blow spinning (SBS). We aim to use SBS to develop novel, tunable, flexible polymeric fiber nanocomposites for various applications, including protective materials, by incorporating nanoparticles in a polymer-elastomer matrix.

Solution Blow Spinning von polymeren Nanokompositfasern für persönliche Schutzausrüstung

Light-weight, protective armor systems typically consist of high modulus (&#62;109 MPa) and high-strength polymeric fibers held in place with an elastic ...

Evaluating the Electrochemical Properties of Supercapacitors using the Three-Electrode System

The three-electrode system is a basic and general analytical platform for investigating the electrochemical performance and characteristics of energy storage systems at the material level. Supercapacitors are one of the most important emergent energy storage systems developed in the past decade. Here, the electrochemical performance of a supercapacitor was evaluated using a three-electrode system with a potentiostat device. The three-electrode system consisted of a working electrode (WE), reference electrode (RE), and counter electrode (CE). The WE is the electrode where the potential is controlled and the current is measured, and it is the target of research. The RE acts as a reference for measuring and controlling the potential of the system, and the CE is used to complete the closed circuit to enable electrochemical measurements. This system provides accurate analytical results for evaluating electrochemical parameters such as the specific capacitance, stability, and impedance through cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge-discharge (GCD), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Several experimental design protocols are proposed by controlling the parameter values of the sequence when using a three-electrode system with a potentiostat device to evaluate the electrochemical performance of supercapacitors. Through these protocols, the researcher can set up a three-electrode system to obtain reasonable electrochemical results for assessing the performance of supercapacitors.

The protocol describes the evaluation of various electrochemical properties of supercapacitors using a three-electrode system with a potentiostat device.

Bewertung der elektrochemischen Eigenschaften von Superkondensatoren mit dem Drei-Elektroden-System

The three-electrode system is a basic and general analytical platform for investigating the electrochemical performance and characteristics of energy ...

The Immersive Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping Platform for the Assessment of Instrumental Activities of Daily Living

A decline in the performance of instrumental activities of daily living (IADLs) has been proposed as a prodromal marker of neurological disease. Existing clinical and performance-based IADL assessments are not feasible for integration into clinical medicine. Virtual reality (VR) is a powerful yet underutilized tool that could advance the diagnosis and treatment of neurological disease. An impediment to the adoption and scaling of VR in clinical neurology is VR-related sickness resulting from sensory inconsistencies between the visual and vestibular systems (i.e., locomotion problem).
The Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping (CC-VRS) platform attempts to solve the locomotion problem by coupling an omnidirectional treadmill with high-resolution VR content, enabling the user to physically navigate a virtual grocery store to simulate shopping. The CC-VRS consists of Basic and Complex shopping experiences; both require walking 150 m and retrieving five items. The Complex experience has additional scenarios that increase the cognitive and motor demands of the task to better represent the continuum of activities associated with real-world shopping. The CC-VRS platform provides objective and quantitative biomechanical and cognitive outcomes related to the user&#39;s IADL performance. Initial data indicate that the CC-VRS results in minimal VR-sickness and is feasible and tolerable for older adults and patients with Parkinson&#39;s disease (PD). The considerations underlying the development, design, and hardware and software technology are reviewed, and initial models of integration into primary care and neurology are provided.

Virtual reality (VR) is a powerful yet underutilized approach to advance the diagnosis and treatment of neurological disease. The Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping platform combines state-of-the-art VR content with an omnidirectional treadmill to quantify instrumental activities of daily living-a proposed prodromal marker of neurological disease.

Die immersive Cleveland Clinic Virtual Reality Shopping Plattform für die Bewertung von instrumentellen Aktivitäten des täglichen Lebens

A decline in the performance of instrumental activities of daily living (IADLs) has been proposed as a prodromal marker of neurological disease. Existing ...

Development of Efficient OLEDs from Solution Deposition

The use of highly efficient organic emitters based on the thermally activated delayed fluorescence (TADF) concept is interesting due to their 100% internal quantum efficiency. Presented here is a solution deposition method for the fabrication of efficient organic light-emitting diodes (OLEDs) based on a TADF emitter in a simple device structure. This fast, low-cost, and efficient process can be used for all OLED emissive layers that follow the host-guest concept. The fundamental steps are described along with necessary information for further reproduction. The goal to establish a general protocol that can be easily adapted for principal organic emitters currently under study and development.

Presented here is a protocol for the fabrication of efficient, simple, solution-deposited organic light-emitting diodes with low roll-off.