歩いて個人を含む実験は、運動＆姿勢分析研究所ルーベン（MALL）25と協力して行われています。彼らの協力と支援を深く感謝されています。

すべての手順は、ルーヴェンカトリック大学の大学病院の倫理委員会によって承認された、各被験者は、参加前に書面によるインフォームドコンセントを与えました。 1. 3Dモーショントラッキング：設定とデータ集録<ol><li>個々のセンサが完全に（ 図1A）を充電されていることを確認してください。この工程は、約1時間を要するが、実際の測定の前の日に行うことができます。メーカーの充電プロトコルに従ってください。 </li><li> MTマネージャ-データ収集2： <ol><li> （すべてのワイヤレスマスタを有効にします&gt;ワイヤレス設定）センサとの無線接続を有効にして、所望のサンプル・レートを指定します。 注：歩行者の行動の正確な特性を可能にするために、少なくとも60ヘルツのサンプリングレートをお勧めします。個々のセンサレコード3D線形加速度、角速度（アース）磁場及び気圧データ。 </li><li>動作モードを有効にして、測定モードを開始します（すべてのワイヤレスのマスターで測定を開始&gt;ワイヤレス設定）約1分間センサーをゆっくりと動きを作ります。 </li><li>すべてのアクティブセンサ（[表示]&gt; [表示]&gt; [慣性データ）の慣性と磁気データを表示します。静止しながら、センサーの向きはチャンスをしない、ことを確認してください。 注：固定センサの姿勢変更は、それによって、不正確な方位情報を磁気的に乱れた環境を示しているとなります。 </li></ol></li><li>オリエンテーションリセット：実験（ 図1B）2のグローバル参照フレームを定義する（向きをリセット]&gt; [オブジェクト/見出しリセット）オブジェクト/見出しリセットを適用します。 </li><li> （COM）は、第5腰椎（ 図1C）の高さに位置する質量の車体中心のできるだけ近くにセンサーを配置します。 sの各参加者にしっかりと強固に単一のセンサを固定peciallyクリックでフルボディストラップ（ 図1C）を設計。 </li><li>記録データは、必要に応じて。 </li><li>関心（開いているファイル）のレコードを読み込み、書き出し設定（ツール&gt;設定&gt;輸出）を指定し、その後の分析2（[ファイル]&gt; [エクスポート]）のデータを加速度（姿勢行列）をエクスポートします。 </li></ol> 2.フォースプレート：セットアップと構成注意：本工程は、GRFSを登録するフォースプレートのアプリケーションについて説明します。歩行/人が関与している実行する場合には、フォースプレートやトレッドミル計装一連の後続のステップ3により誘導される負荷を登録するために使用される、プロトコル自体が類似しています。 <ol><li>フォースプレートがしっかりと実験室の床面（ 図2）に固定されていることを確認してください。 </li><li>デバイスおよび取得の設定を4（NDIオープンキャプチャを設定]&gt; [データ]&gt; [デバイスの設定]&gt;セッティNGS）。適切な「ゲイン」と「サンプルレート」を選択します。 4を必要に応じて、外部トリガ設定を構成し、確認してください。 <ol><li>所望の精度と関係するロード・タイプに応じて、ゲイン、サンプル・レートを選択します。本出願のために、128（最大フォース4879 N）とサンプル・レート200 Hzでのゲインを使用しています。 </li></ol></li><li>開始と終了の空のフォースプレートと各試行を：フォースプレート風袋時の空（NDIオープンキャプチャ]&gt; [データ]&gt; [デバイスの設定]&gt; [設定]&gt; [風袋引き）。 </li><li>各試験の前と後のフォースプレートの上に置き既知の重量を：確認のため。 注：本出願は、5 kgを質量しかし、他の周知の硬質塊（&gt; 2のkg）での使用が同様にこの検証試験を提供することができ、使用されます。 </li><li>必要に応じて、GRFのデータを記録し、保存します。その後の分析の4のためにGRFSをエクスポートします。 </li></ol>構造ACCELE 3.測定食料注：本手順は、構造上の1つまたは複数の関連する場所での構造振動を収集することを目指しています。本出願は、構造加速度を登録するGeoSIG GMSレコーダ（ 図3）を用います。関与するアプリケーションのための適切な特性を有する他のセンサの種類は、同様に適用することができます。 <ol><li>個々のセンサが完全に充電されていることを確認してください。この工程は数時間かかることが、実際の測定の前の日に行うことができます。メーカーの充電プロトコルに従ってください。 </li><li>必要に応じて、（磁石を使用して、 例えば、）一次構造への適切な固定を提供、レベルセンサーと：一次構造の所望の位置にセンサーを取り付けます。 注：個々のGMSレコーダー（&gt; 6キロ）と関係する低周波振動（&lt;6ヘルツ）の高質量を与え、追加の固定は、この場合には必要ではなかったです。 </li><li>ジオのためDASデータ収集5：ワイヤレスGMSネットワークやセンサ5との接続を設定し、有効にします。時刻設定と同期設定を確認してください（必要な場合）（右&gt;センサーの詳細情報をクリックします）。 </li><li>目的の場所にセンサーを置き、グローバルな基準フレームとの契約でそれらを平準。 </li><li> GEODASデータ収集5の場合：記録されたデータをエクスポートし、その後の分析のために（右センサー&gt;計測器制御&gt;リクエスト&gt;ユーザー要求&gt; GETEVT 5の送信をクリックしてください）。 </li></ol>制御された実験室環境での4.実験<ol><li> （セクション1で説明したように）追跡/セットアップ3Dモーションを設定します。 </li><li>設定/セットアップ・フォースプレート（セクション2で説明したように）。 </li><li>動作中：視覚的に自分の動作モードを確認するために、無線慣性センサーとフォースプレートの両方のリアルタイム測定を確認。 </li><li> participを確認して下さいフォースプレート上にステップと、少なくとも30秒間、まだ立ってアリ：これは、個々の重みを識別することができます。 </li><li>メトロノーム信号を設定します。希望するリズム、 すなわち、基本強制的周波数を選択します。 注：メトロノーム信号は簡単に無料のオンラインまたはスマートフォンのアプリケーションを使用して設定することができます。 </li><li>フォースプレートと無線慣性センサの両方のデータの記録を開始。 </li><li>所望の活性を開始するために参加者を確認する：歩行、メトロノーム信号によって示されるように（ 図4参照）ジャンプまたは（標的にペーシング）の速度で浮き沈み。 </li><li>荷重サイクル、 例えば、ステップ、ジャンプやボビングサイクルの選択された番号を記録します。フォースプレートを下車する参加者を確認して下さい。 注：検証の目的のために、これらのアンロードの条件でいくつかの追加の記録時間を考慮することをお勧めします。文献では、Cに必要な最小数の負荷サイクルについての明確なコンセンサスはありませんサイクル・ツー・サイクル6変動性haracterize。経験と[6]で提示研究に基づいて、ここで紹介する研究では、最初と最後の5負荷サイクルは試験の開始時と終了時に装荷パターンの不規則性を除外するために、さらなる分析から除外されることにより60連続サイクルを考慮します。 </li></ol> その場5.実験<ol><li> （セクション2および図5を参照）/セットアップに参加者の動きを追跡する3D慣性センサーのネットワークを設定します。 </li><li> /セットアップに構造的な加速度を登録する無線加速度計のGMSのネットワークを設定します（セクション4を参照）。 </li><li>動作中：（視覚的に）自分の動作モードを確認するために、無線慣性センサのリアルタイム測定を確認。 </li><li>必要に応じて、関係する測定システムを同期することを可能にする明確なプロトコルを定義します。 注：関係する場合は、この手順が必要ですデータ収集システムは、トリガまたは共通チャネルの欠如に起因する直接同期することができません。後者は、 その場での実験（5.1および5.2） にに適用されるワイヤレス計測システムの場合です。したがって、明確なプロトコルは、データセットをオフラインで同期させることができ、サイト上で採用されています。本出願では、関与する測定システムが関与する測定システムの各々の少なくとも1つのセンサにより登録された各試験の開始時と終了時に同じイベント、 すなわち、衝撃の登録を通じて同期されます。適切に整列時間ベクトルはその後、これらのイベントのオフラインアライメントを介して取得されます。 </li><li>メトロノーム信号を設定します。 その場で 、対象となるビートを増幅するためのメガホンを使用する必要があります。 </li><li>実験の再現性を確認するための試験の十分な数を収集します。経験に基づいて、著者らは、TRが少なくとも3、好ましくは4を記録することをお勧めIALS。 </li></ol> 6.データ解析<ol><li>前処理は、必要に応じて関係する機器の生データ：そのような無関係な高周波貢献と測定ノイズのような望ましくない影響を除去するために、適切なフィルタを適用し、製造業者のプロトコルに従って、関連する時間ウィンドウを保持しています。 注：フィルタ特性は、用途に応じて選択されるべきです。本研究では、MATLAB信号処理ツールボックス7は、関連するすべての信号に対して20Hzでカットオフ周波数を有するローパスフィルタリングを実行するために適用されます。 </li><li>各参加者の場合：計算は、離散フーリエ変換は、MATLAB Signal Processing Toolboxの7を使用して重心の登録加速度の変換および得られたスペクトルにおける基本波の支配的なピークの周波数と平均負荷周波数を特定します。 </li><li>負荷サイクルのうちのいずれか2つ名目上同一のイベント間の時間を特定します詳述された方法[3]またはPediVib MATLABツールボックス8のlc_timingツールを使用しての<ol><li>データベクトル（lc_timing&gt;ロード）をロードします。 </li><li>サンプリングレートを指定し、平均負荷周波数を推定します。必要に応じて、該当する時間ウィンドウを指定します。名目上同一の事象、 すなわち、負荷サイクル（&gt; Saveをlc_timing）の識別されたタイミングを保存します。 </li></ol></li><li> （6.3で識別される）、その後の負荷サイクル間の平均時間の逆数として平均負荷周波数を計算します。 </li><li>実験室での実験のために：結果の床反力と各個人の重心に登録加速度の両方のために6.3で詳述した手順を適用します。 注：この手順では、GRFSを直接測定することができないでその場での実験のために適用される手順の検証として機能します。詳述された方法は、[3]を示すかの時変ペーシングレート歩行者は、個々の重心付近に登録加速度および結果としてGRFSの間の関係を特徴づけることによって同定することができます。 </li><li> その場での実験のために：各個体の重心に登録加速度6.3に詳述した手順を適用します。 </li></ol>構造応答の7.シミュレーションと解析注：以降の手順は、MATLAB 7を使用して実行されます。 9（歩行）Li らによって定義されたの人為的な力は一般負荷モデルを適用することにより決定され、バッハマン：構造応答はPediVibツールボックス、作者8によって開発されたMATLABのツールボックス（ 図6）を用いて計算されますら 1（ジャンプ、実行し、破壊行為ロード）、およびモーダルで処方される構造モデルは10を調整します。付属のマニュアルでは、明確に説明するチュートリアルが含まれて以下の手順を実行します。 <ol><li>構造応答のシミュレーション<ol><li>自然周波数、モーダル減衰比、質量正規化モーダル変位、対応するノードの座標（PediVib&gt;構造パラメータ&gt;新規）：試験構造のモーダルパラメータを定義します。視覚モーダル入力情報（PediVib&gt;構造パラメータ&gt;表示）を確認します。 </li><li>歩行者の特性と対応する誘導された負荷を定義します。負荷の種類、重量、パス/位置、平均ペーシングレート、各負荷サイクルの開始を歩く（PediVib&gt;シングル歩行者&gt;新規）。関係する参加者のためのシミュレートされた構造応答を実行し、保存します。視覚結果（PediVib&gt;シングル歩行者&gt;表示）を確認します。 </li></ol></li><li> 、すなわち 、個々の応答の重ね合わせを介して対応するベクトルの総和を全構造応答を計算し、測定された構造応答と結果を比較します例えば、測定され、シミュレートされた構造応答を表示する図を作成することもできます。 </li></ol>

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Signal Process. 24 (1), 138-152 (2010).</li><li>The MathWorks Inc. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> MATLAB and Signal Processing Toolbox Release. , (2014).</li><li>Van Nimmen, K., Van den Broeck, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> PediVib 1.0 - A MATLAB toolbox for the simulation of human-induced vibrations. , (2015).</li><li>Li, Q., Fan, J., Nie, J., Li, Q., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crowd-induced+random+vibration+of+footbridge+and+vibration+control+using+multiple+tuned+mass+dampers.">Crowd-induced random vibration of footbridge and vibration control using multiple tuned mass dampers.</a> J. Sound Vib. 329 (19), 4068-4092 (2010).</li><li>Van Nimmen, 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> Numerical and experimental study of human-induced vibrations of footbridges [dissertation]. , (2015).</li><li>Middleton, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Dynamic performance of high frequency floors [dissertation]. , (2009).</li><li>Ing&#242;lfsson, E. T., Georgakis, C. T., Ricciardelli, F., J&#246;nsson, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+identification+of+pedestrian-induced+lateral+forces+on+footbridges.">Experimental identification of pedestrian-induced lateral forces on footbridges.</a> J. 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G., Burn, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomechanically+inspired+modeling+of+pedestrian-induced+vertical+self-excited+forces.">Biomechanically inspired modeling of pedestrian-induced vertical self-excited forces.</a> J. Bridg. Eng. 18 (12), 1336-1346 (2013).</li><li>&#381;ivanovi&#263;, S., Pavi&#263;, A., Ing&#242;lfsson, E. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+spatially+unrestricted+pedestrian+traffic+on+footbridges.">Modeling spatially unrestricted pedestrian traffic on footbridges.</a> Journal of Structural Engineering. 136 (10), 1296-1308 (2010).</li><li>Agu, E., Kasperski, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+the+random+dynamic+parameters+of+the+human+body+on+the+dynamic+characteristics+of+the+coupled+system+of+structurecrowd.">Influence of the random dynamic parameters of the human body on the dynamic characteristics of the coupled system of structurecrowd.</a> J. 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Biomech. 47 (11), 2693-2699 (2014).</li><li>Liedtke, C., Fokkenrood, S. A., Menger, J. T., van der Kooij, H., Veltink, P. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+instrumented+shoes+for+ambulatory+assessment+of+ground+reaction+forces.">Evaluation of instrumented shoes for ambulatory assessment of ground reaction forces.</a> Gait Posture. 26 (1), 39-47 (2007).</li><li>Boutaayamou, M., Schwartz, C., 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=Validated+extraction+of+gait+events+from+3D+accelerometer+recordings.">Validated extraction of gait events from 3D accelerometer recordings.</a> , 6-9 (2012).</li><li>Kavanagh, J. J., Menz, H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Accelerometry:+A+technique+for+quantifying+movement+patterns+during+walking.">Accelerometry: A technique for quantifying movement patterns during walking.</a> Gait Posture. 28 (1), 1-15 (2008).</li><li>. MALL: Movement and posture Analysis Laboratory Leuven (Interdepartemental research laboratory at the Faculty of Kinisiology and Rehabilitation Sciences) Available from: <a target="_blank" href="https://faber.kuleuven.be/MALL/mall.php">https://faber.kuleuven.be/MALL/mall.php</a> (2015)</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

人間の動きとGRFSを結果としては、通常、力プレートは、このような中古Vicon 18とCODA 19とインストルメントトレッドミルだけでなく、光学式モーションキャプチャ技術の応用によって識別されます。これらの技術の適用は、しかしながら、実験室環境に制限されます。この欠点への答えでは、多くの繰り返しと中断のないサイクルにわたって「天然」の人の行動の測定を可能?...

効率の経済的需要と（新）材料の増加する強さによって駆動さ、建築家やエンジニアは、これまで長く背が高く、軽量化構造を構築するために限界に挑戦しています。一般的に、光と細身の構造は、実行中または跳躍、このようなウォーキングなどの一般的な人間活動の支配的なスペクトル内にある一つ以上の固有振動数を持っています。 （近）共鳴励起の対象となる可能性が高い、彼らは1妨害、あるいは有害な振動が生じ、多くの場合、人間の動きに過度に応答します。これらの細身で軽量な構造のため、振動保守は、多くの場合、重要な設計要件を構成する、懸念事項です。 人間の動きと、得られた床反力（GRFS）は、通常、実験的に実験室条件で識別されます。 「保守的」であると仮定されているもの - - 現在、デザイナーはに頼ることを余儀なくされている同等リットルシングルの人の力の測定値からアップスケールOADモデル、。デザインは高い群集密度下での動的性能に支配して、強い需要は、現在利用可能な負荷モデルの検証と洗練のために存在します。 現在のプロトコルは、歩行者の自然な動きの特徴づけのための3D慣性モーショントラッキング技術を採用します。なお、この情報は、歩行者だけでなく、対応する誘導された負荷の間の相関を定義するために使用することができる方法を示しています。次のステップにおいて、特徴付け歩行者の挙動を数値誘起構造応答をシミュレートするために使用されます。登録された構造応答との比較は、例えば 、行方不明人間構造の相互作用現象の影響を定量化することを可能に起因する歩行者の存在に減衰を追加します。方法論は、実際の歩道橋構造応答と額面の運動に本格的な実験のために例示されていますticipantsが同時に登録されています。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="1081">
	<tbody>
		<tr height="65">
			<td height="65" style="height:65px;width:301px;">MTw Development Kit + MT Manager Software</td>
			<td style="width:107px;">Xsens</td>
			<td style="width:280px;">MTW-38A70G20-1</td>
			<td style="width:393px;">Development kit with wireless, highly accurate, small and lightweight 3D human motion trackers and accompanying click-in full body straps.</td>
		</tr>
		<tr height="65">
			<td height="65" style="height:65px;width:301px;">True Impulse Kinetic Measurement System + NDI Open Capture Data Acquisition and Visualization System</td>
			<td style="width:107px;">NDI Northern Digital Inc.</td>
			<td style="width:280px;">791028</td>
			<td style="width:393px;">TrueImpulse measures reaction forces exerted by humans during a wide variety of activities.</td>
		</tr>
		<tr height="65">
			<td height="65" style="height:65px;width:301px;">GMS-24</td>
			<td style="width:107px;">GeoSIG Ltd</td>
			<td style="width:280px;">Rev. 03.08.2010</td>
			<td style="width:393px;">(Wireless) accelerometers to register the structural vibrations.</td>
		</tr>
		<tr height="65">
			<td height="65" style="height:65px;width:301px;">GeoDAS GeoSIG Data Acquisition System</td>
			<td style="width:107px;">GeoSIG Ltd</td>
			<td style="width:280px;">Rev. 03.08.2010</td>
			<td style="width:393px;">Graphical MS Windows application running under Windows 9x/NT/2000, providing a software interface between users and GeoSIG recorders GSR/GCR/GBV/GT.</td>
		</tr>
		<tr height="65">
			<td height="65" style="height:65px;width:301px;">PediVib toolbox</td>
			<td style="width:107px;">KU Leuven</td>
			<td style="width:280px;">/</td>
			<td style="width:393px;">Software interface/toolbox to simulate the structural vibrations induced by pedestrians.</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:301px;">Metronome</td>
			<td style="width:107px;">/</td>
			<td style="width:280px;">/</td>
			<td style="width:393px;">A device to indicate the targetted pacing rate of the activity (free applications are available online for pc/laptop/smartphone).</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

simulation of human-induced vibrations based on the characterized in-field pedestrian behavior

細身で軽量な構造のため、振動保守は、多くの場合、重要な設計要件を構成する、懸念事項です。デザインは人為的な負荷の下での動的性能に支配して、強い需要は、現在利用可能な負荷モデルの検証と洗練のために存在します。現在の貢献は、フィールドでの歩行者行動の特徴付けのための3D慣性モーショントラッキング技術を使用しています。技術は、まず、対応する床反力の同時登録を実験室実験で試験されています。実験では、歩行者ならびにそのようなジャンプやボビングのようなリズミカルな人間の活動が含まれます。登録された運動活動の時変ペーシングレートの識別を可能にすることが示されています。一緒に人の体重と文学で利用可能な一般化力モデルを適用して、識別された時変ペーシングレートは、charにできます人為的な負荷をacterize。また、無線動作トラッカー間で時刻同期は、参加者間の同期速度を特定することができます。その後、技術が人の動きと誘導される構造振動の両方が登録されている実際の歩道橋上で使用されています。特徴でフィールド歩行者の行動が誘発される構造応答をシミュレートするために適用することができる方法を示しています。 その場で識別されたペーシングレートと同期率は人為的負荷のシミュレーションと検証のための不可欠な入力を構成することが実証されています。提案された方法論の主な潜在的なアプリケーションは、人間の構造の相互作用現象の予測と実際の交通状況における歩行者間の相関に適したモデルの開発です。

まず、個人の重心付近に登録加速度が結果としてGRFSを特徴付けるために使用することができる方法を示しています。結果は歩行個々の3のためにここで説明されています。完全に同等の観測は、ときにリズミカルな人間の活動、 すなわち、ジャンプやボビング作られていると考えられている。 図7 のショーの連続?...

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Simulation of Human-induced Vibrations Based on the Characterized In-field Pedestrian Behavior

プロトコルは、フィールド内の歩行者の行動と結果の構造応答のシミュレーションの特徴付けのために提示されています。フィールド・テストは、その場で参加者の間で速度と同期ペーシングレートに識別することを示している人為的な負荷のシミュレーションと検証のための不可欠な入力を構成しています。

特徴付けインフィールド歩行者の行動に基づいて、人間によって誘発される振動のシミュレーション

For slender and lightweight structures, vibration serviceability is a matter of growing concern, often constituting the critical design requirement. With ...

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Kinetics of a Particle: Force and Acceleration

Freezing and Thawing in Concrete

Motion Along a Straight Line

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8.7K ビュー.  KU Leuven. プロトコルは、フィールド内の歩行者の行動と結果の構造応答のシミュレーションの特徴付けのために提示されています。フィールド・テストは、その場で参加者の間で速度と同期ペーシングレートに識別することを示している人為的な負荷のシミュレーションと検証のための不可欠な入力を構成しています。 

ビデオ: Simulation of Human-induced Vibrations Based on the Characterized In-field Pedestrian Behavior

Simulation, Fabrication and Characterization of THz Metamaterial Absorbers

Metamaterials (MM), artificial materials engineered to have properties that may not be found in nature, have been widely explored since the first theoretical1 and experimental demonstration2 of their unique properties. MMs can provide a highly controllable electromagnetic response, and to date have been demonstrated in every technologically relevant spectral range including the optical3, near IR4, mid IR5 , THz6 , mm-wave7 , microwave8 and radio9 bands. Applications include perfect lenses10, sensors11, telecommunications12, invisibility cloaks13 and filters14,15. We have recently developed single band16, dual band17 and broadband18 THz metamaterial absorber devices capable of greater than 80% absorption at the resonance peak. The concept of a MM absorber is especially important at THz frequencies where it is difficult to find strong frequency selective THz absorbers19. In our MM absorber the THz radiation is absorbed in a thickness of ~ &lambda;/20, overcoming the thickness limitation of traditional quarter wavelength absorbers. MM absorbers naturally lend themselves to THz detection applications, such as thermal sensors, and if integrated with suitable THz sources (e.g. QCLs), could lead to compact, highly sensitive, low cost, real time THz imaging systems.

This protocol outlines the simulation, fabrication and characterization of THz metamaterial absorbers. Such absorbers, when coupled with an appropriate sensor, have applications in THz imaging and spectroscopy.

テラヘルツメタマテリアルアブソーバのシミュレーション、作製と評価

Metamaterials (MM),  artificial materials engineered to have properties that may not be found in  nature, have been widely explored since the first ...

工学

Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

A planetary interior is under high-pressure and high-temperature conditions and it has a layered structure. There are two important processes that led to that layered structure, (1) percolation of liquid metal in a solid silicate matrix by planet differentiation, and (2) inner core crystallization by subsequent planet cooling. We conduct high-pressure and high-temperature experiments to simulate both processes in the laboratory. Formation of percolative planetary core depends on the efficiency of melt percolation, which is controlled by the dihedral (wetting) angle. The percolation simulation includes heating the sample at high pressure to a target temperature at which iron-sulfur alloy is molten while the silicate remains solid, and then determining the true dihedral angle to evaluate the style of liquid migration in a crystalline matrix by 3D visualization. The 3D volume rendering is achieved by slicing the recovered sample with a focused ion beam (FIB) and taking SEM image of each slice with a FIB/SEM crossbeam instrument. The second set of experiments is designed to understand the inner core crystallization and element distribution between the liquid outer core and solid inner core by determining the melting temperature and element partitioning at high pressure. The melting experiments are conducted in the multi-anvil apparatus up to 27 GPa and extended to higher pressure in the diamond-anvil cell with laser-heating. We have developed techniques to recover small heated samples by precision FIB milling and obtain high-resolution images of the laser-heated spot that show melting texture at high pressure. By analyzing the chemical compositions of the coexisting liquid and solid phases, we precisely determine the liquidus curve, providing necessary data to understand the inner core crystallization process.

The high-pressure and high-temperature experiments described here mimic planet interior differentiation processes. The processes are visualized and better understood by high-resolution 3D imaging and quantitative chemical analysis.

研究室での惑星インテリア分化過程のシミュレーション

A planetary interior is under high-pressure and high-temperature conditions and it has a layered structure. There are two important processes that led to ...

Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust aggregates with sizes up to ~10 cm and porosities up to 70% can be collided. One of the drop towers is primarily used for very low impact speeds down to below 0.01 m/sec and makes use of a double release mechanism. Collisions are recorded in stereo-view by two high-speed cameras, which fall along the glass vacuum tube in the center-of-mass frame of the two dust aggregates. The other free-fall tower makes use of an electromagnetic accelerator that is capable of gently accelerating dust aggregates to up to 5 m/sec. In combination with the release of another dust aggregate to free fall, collision speeds up to ~10 m/sec can be achieved. Here, two fixed high-speed cameras record the collision events. In both drop towers, the dust aggregates are in free fall during the collision so that they are weightless and match the conditions in the early Solar System.

We present a technique to achieve low-velocity to intermediate-velocity collisions between fragile dust aggregates in the laboratory. For this purpose, two vacuum drop-tower setups have been developed that allow collision velocities between &#60;0.01 and ~10 m/sec. The collision events are recorded by high-speed imaging.

原始太陽系におけるダスト凝集衝突の実験的シミュレーションのための研究室のドロップタワー

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of biosensing devices. We report on a protocol of using KrF and ArF lasers irradiating Si (001) samples immersed in a liquid environment with low number of pulses and operating at moderately low pulse fluences to induce Si wettability modification. Wafers immersed for up to 4 hr in a 0.01% H2O2/H2O solution did not show measurable change in their initial contact angle (CA) ~75&#176;. However, the 500-pulse KrF and ArF lasers irradiation of such wafers in a microchamber filled with 0.01% H2O2/H2O solution at 250 and 65 mJ/cm2, respectively, has decreased the CA to near 15&#176;, indicating the formation of a superhydrophilic surface. The formation of OH-terminated Si (001), with no measurable change of the wafer&#8217;s surface morphology, has been confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy measurements. The selective area irradiated samples were then immersed in a biotin-conjugated fluorescein-stained nanospheres solution for 2 hr, resulting in a successful immobilization of the nanospheres in the non-irradiated area. This illustrates the potential of&#160;the method for selective area biofunctionalization and fabrication of advanced Si-based biosensing architectures. We also describe a similar protocol of irradiation of wafers immersed in methanol (CH3OH) using ArF laser operating at pulse fluence of 65 mJ/cm2 and in situ formation of a strongly hydrophobic surface of Si (001) with the CA of 103&#176;. The XPS results indicate ArF laser induced formation of Si&#8211;(OCH3)x compounds responsible for the observed hydrophobicity. However, no such compounds were found by XPS on the Si surface irradiated by KrF laser in methanol, demonstrating the inability of the KrF laser to photodissociate methanol and create -OCH3 radicals.

We report on a process of in situ alteration of HF treated Si (001) surface into a hydrophilic or hydrophobic state by irradiating samples in microfluidic chambers filled with&#160;H2O2/H2O solution (0.01%-0.5%) or methanol solutions using pulsed UV laser of a relative low pulse fluence.

液体環境におけるパルスUVレーザー照射によるシリコン表面の濡れ性の選択エリア変更

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Knowledge Based Cloud FE Simulation of Sheet Metal Forming Processes

The use of Finite Element (FE) simulation software to adequately predict the outcome of sheet metal forming processes is crucial to enhancing the efficiency and lowering the development time of such processes, whilst reducing costs involved in trial-and-error prototyping. Recent focus on the substitution of steel components with aluminum alloy alternatives in the automotive and aerospace sectors has increased the need to simulate the forming behavior of such alloys for ever more complex component geometries. However these alloys, and in particular their high strength variants, exhibit limited formability at room temperature, and high temperature manufacturing technologies have been developed to form them. Consequently, advanced constitutive models are required to reflect the associated temperature and strain rate effects. Simulating such behavior is computationally very expensive using conventional FE simulation techniques.
This paper presents a novel Knowledge Based Cloud FE (KBC-FE) simulation technique that combines advanced material and friction models with conventional FE simulations in an efficient manner thus enhancing the capability of commercial simulation software packages. The application of these methods is demonstrated through two example case studies, namely: the prediction of a material's forming limit under hot stamping conditions, and the tool life prediction under multi-cycle loading conditions.

The following paper presents a novel FE simulation technique (KBC-FE), which reduces computational cost by performing simulations on a cloud computing environment, through the application of individual modules. Moreover, it establishes a seamless collaborative network between world leading scientists, enabling the integration of cutting edge knowledge modules into FE simulations.

シートメタル成形プロセスの知識ベースのクラウドFEシミュレーション

The use of Finite Element (FE) simulation software to adequately predict the outcome of sheet metal forming processes is crucial to enhancing the ...

Effect of Bending on the Electrical Characteristics of Flexible Organic Single Crystal-based Field-effect Transistors

The charge transport in an organic semiconductor depends highly on the molecular packing in the crystal, which influences the electronic coupling immensely. However, in soft electronics, in which organic semiconductors play a critical role, the devices will be bent or folded repeatedly. The effect of bending on the crystal packing and thus the charge transport is crucial to the performance of the device. In this manuscript, we describe the protocol to bend a single crystal of 5,7,12,16-tetrachloro-6,13-diazapentacene (TCDAP) in the field-effect transistor configuration and to obtain reproducible I-V characteristics upon bending the crystal. The results show that bending a field-effect transistor prepared on a flexible substrate results in nearly reversible yet opposite trends in charge mobility, depending on the bending direction. The mobility increases when the device is bent toward the top gate/dielectric layer (upward, compressive state) and decreases when bent toward the crystal/substrate side (downward, tensile state). The effect of bending curvature was also observed, with greater mobility change resulting from higher bending curvature. It is suggested that the intermolecular &#960;-&#960; distance changes upon bending, thereby influencing the electronic coupling and the subsequent carrier transport ability.

This manuscript describes the bending process of an organic single crystal-based field-effect transistor to maintain a functioning device for electronic property measurement. The results suggest that bending causes changes in the molecular spacing in the crystal and thus in the charge hopping rate, which is important in flexible electronics.

フレキシブル有機単結晶ベースの電界効果トランジスタの電気的特性に曲げの影響

The charge transport in an organic semiconductor depends highly on the molecular packing in the crystal, which influences the electronic coupling ...

Preparation and High-temperature Anti-adhesion Behavior of a Slippery Surface on Stainless Steel

Anti-adhesion surfaces with high-temperature resistance have a wide application potential in electrosurgical instruments, engines, and pipelines. A typical anti-wetting superhydrophobic surface easily fails when exposed to a high-temperature liquid. Recently, Nepenthes-inspired slippery surfaces demonstrated a new way to solve the adhesion problem. A lubricant layer on the slippery surface can act as a barrier between the repelled materials and the surface structure. However, the slippery surfaces in previous studies rarely showed high-temperature resistance. Here, we describe a protocol for the preparation of slippery surfaces with high-temperature resistance. A photolithography-assisted method was used to fabricate pillar structures on stainless steel. By functionalizing the surface with saline, a slippery surface was prepared by adding silicone oil. The prepared slippery surface maintained the anti-wetting property for water, even when the surface was heated to 300 &#176;C. Also, the slippery surface exhibited great anti-adhesion effects on soft tissues at high temperatures. This type of slippery surface on stainless steel has applications in medical devices, mechanical equipment, etc.

Slippery surfaces provide a new way to solve the adhesion problem. This protocol describes how to fabricate slippery surfaces at high temperatures. The results demonstrate that the slippery surfaces showed anti-wetting for liquids and a remarkable anti-adhesion effect on soft tissues at high temperatures.

ステンレス鋼の滑りやすい表面の作製と高温の反付着挙動

Anti-adhesion surfaces with high-temperature resistance have a wide application potential in electrosurgical instruments, engines, and pipelines. A ...

Study of Siphon Breaker Experiment and Simulation for a Research Reactor

Under the design conditions of a research reactor, the siphon phenomenon induced by pipe rupture can cause continuous outward flow of water. To prevent this outflow, a control device is required. A siphon breaker is a type of safety device that can be utilized to control the loss of coolant water effectively.
To analyze the characteristics of siphon breaking, a real-scale experiment was conducted. From the results of the experiment, it was found that there are several design factors that affect the siphon breaking phenomenon. Therefore, there is a need to develop a theoretical model capable of predicting and analyzing the siphon breaking phenomenon under various design conditions. Using the experimental data, it was possible to formulate a theoretical model that accurately predicts the progress and the result of the siphon breaking phenomenon. The established theoretical model is based on fluid mechanics and incorporates the Chisholm model to analyze two-phase flow. From Bernoulli&#39;s equation, the velocity, quantity, undershooting height, water level, pressure, friction coefficient, and factors related to the two-phase flow could be obtained or calculated. Moreover, to utilize the model established in this study, a siphon breaker analysis and design program was developed. The simulation program operates on the theoretical model basis and returns the result as a graph. The user can confirm the possibility of the siphon breaking by checking the shape of the graph. Furthermore, saving the entire simulation result is possible and it can be used as a resource for analyzing the real siphon breaking system.
In conclusion, the user can confirm the status of the siphon breaking and design the siphon breaker system using the program developed in this study.

The siphon breaking phenomenon was investigated experimentally and a theoretical model was proposed. A simulation program based on the theoretical model was developed and the results of the simulation program were compared with experimental results. It was concluded that the results of the simulation program matched the experimental results well.

研究用原子炉のサイフォン ブレーカー実験とシミュレーションに関する研究

Under the design conditions of a research reactor, the siphon phenomenon induced by pipe rupture can cause continuous outward flow of water. To prevent ...

Predicting Catalyst Extrudate Breakage Based on the Modulus of Rupture

The mechanical strength of extruded catalysts and their natural or forced breakage by either collision against a surface or by a compressive load in a fixed bed are important phenomena in catalyst technology. The mechanical strength of the catalyst is measured here by its bending strength or flexural strength. This technique is relatively new from the perspective of applying it to commercial catalysts of typical sizes used in the industry. Catalyst breakage by collision against a surface is measured after a fall of the extrudates through the ambient air in a vertical pipe. Quantifying the impact force is done theoretically by applying Newton's second law. Measurement of catalyst breakage due to stress in a fixed bed is done following the standard procedure of the bulk crush strength test. Novel here is the focus on measuring the reduction in the length to diameter ratio of the extrudates as a function of the stress.

Here we present a protocol to measure the modulus of rupture of an extruded catalyst and the breakage of said catalyst extrudates by collision against a surface or by compression in a fixed bed.

破壊係数をに基づいて推定触媒押し出し破損

The mechanical strength of extruded catalysts and their natural or forced breakage by either collision against a surface or by a compressive load in a ...

A 100 KW Class Applied-field Magnetoplasmadynamic Thruster

Applied-field magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD thrusters) are hybrid accelerators in which electromagnetic and gas dynamic processes accelerate plasma to high speed; they have considerable potential for future space applications with the significant advantages of high specific impulse and thrust density. In this paper, we present a series of protocols for designing and manufacturing a 100 kW class of AF-MPD thruster with water-cooling structures, a 130 V maximum discharge voltage, a 800 A maximum discharge current, and a 0.25 T maximum strength of magnetic field. A hollow tantalum tungsten cathode acts as the only propellant inlet to inhibit the radial discharge, and it is positioned axially at the rear of the anode in order to relieve anode starvation. A cylindrical divergent copper anode is employed to decrease anode power deposition, where the length has been reduced to decrease the wall-plasma connecting area. Experiments utilized a vacuum system that can achieve a working vacuum of 0.01 Pa for a total propellant mass flow rate lower than 40 mg/s and a target thrust stand. The thruster tests were carried out to measure the effects of the working parameters such as propellant flow rates, the discharge current, and the strength of applied magnetic field on the performance and to allow appropriate analysis. The thruster could be operated continuously for significant periods of time with little erosion on the hollow cathode surface. The maximum power of the thruster is 100 kW, and the performance of this water-cooled configuration is comparable with that of thrusters reported in the literature.

The goal of this protocol is to introduce the design of a 100 kW class applied-field magnetoplasmadynamic thruster and relevant experimental methods.

100 KW 級適用フィールド ノズル形状スラスター

Applied-field magnetoplasmadynamic thrusters (AF-MPD thrusters) are hybrid accelerators in which electromagnetic and gas dynamic processes accelerate ...