Modeling and Simulation of Components and Circuits with Intrinsically Active Polymers

In this work, a design platform for the modeling, simulation and optimization of fluidic components and their interactions in larger systems is developed. A hydrogel-based stimulus-sensitive microvalve is the core element of the microfluidic toolbox. Essential material properties as swelling-stimuli functions and the cooperative diffusion are extracted from measurements. The results provide necessary input data for finite element simulations in order to extract characteristic properties of the mechanical and fluid domains. Finally, the behavior of the microvalve and other fluidic library elements is implemented in Matlab Simscape for component and system simulations. Case studies and design optimization can be realized in a very short time with high accuracy. The toolbox is suitable for research and development and as software for academic education. The library elements are evaluated for a chemofluidic NAND gate, a chemofluidic decoder and a chemofluidic oscillator. Abstract (deutsch) In dieser Arbeit wird eine Entwurfsplattform für die Modellierung, Simulation und Optimierung von fluidischen Komponenten und deren Wechselwirkungen in größeren Systemen entwickelt. Ein Mikroventil auf der Basis von stimuli-sensitiven Hydrogelen ist das Kernelement des Entwurfstools. Wesentliche Materialeigenschaften wie das Quellverhalten und der kooperative Diffusionskoeffizient werden zu Beginn mit Messungen ermittelt. Mit Finite-Elemente-Simulationen werden aus diesen Daten charakteristische Kennwerte für das mechanische und fluidische Verhalten bestimmt. Sie bilden die Basis für komplexe Systemmodelle in Matlab Simscape, welche das Mikroventil und weitere fluidische Grundelemente in ihrem Zusammenwirken beschreiben. Verschiedene Konzepte können in kurzer Zeit und mit hoher Genauigkeit analysiert, optimiert und verglichen werden. Die Toolbox eignet sich für die Forschung und Entwicklung sowie als Software für die akademische Ausbildung. Sie wurde für den Entwurf eines chemofluidischen NAND-Gatters, für einen chemofluidischen Decoder und für einen chemofluidischen Oszillator eingesetzt.