Digital Microfluidic Biochips and Cyberphysical Integration: A Vision for Functional Diversity and More than Moore

K. Chakrabarty, Duke University, Durham, NC, USA

 Advances in droplet-based “digital” microfluidics have led to the emergence of biochip devices for automating laboratory procedures in biochemistry and molecular biology. These devices enable the precise control of nanoliter-volume droplets of biochemical samples and reagents. Therefore, integrated circuit (IC) technology can be used to transport “chemical payload” in the form of micro/nanofluidic droplets. As a result, non-traditional biomedical applications and markets (e.g., high-throughout DNA sequencing, portable and point-of-care clinical diagnostics, protein crystallization for drug discovery), and fundamentally new uses are opening up for ICs and systems.

However, continued growth depends on advances in chip integration and design-automation tools. Design-automation tools are needed to ensure that biochips are as versatile as the macro-labs that they are intended to replace, and researchers can thereby envision an automated design flow for biochips, in the same way as design automation revolutionized IC design in the 80s and 90s. Biochip users (e.g., chemists, nurses, doctors and clinicians) and the biotech/pharmaceutical industry will adapt more easily to new technology if appropriate design tools and in-system automation methods are made available.

This lecture will first provide an overview of market drivers such as immunoassays, DNA sequencing, clinical chemistry, etc., and electrowetting-based digital microfludic biochips. The audience will next learn about CAD, design-for-testability, and reconfiguration aspects of digital microfluidic biochips. Synthesis tools will be described to map assay protocols from the lab bench to a droplet-based microfluidic platform and generate an optimized schedule of bioassay operations, the binding of assay operations to functional units, and the layout and droplet-flow paths for the biochip. The role of the digital microfluidic platform as a “programmable and reconfigurable processor” for biochemical applications will be highlighted. Finally, the speaker will describe dynamic adaptation of bioassays through cyberphysical system integration sensor-driven on-chip error recovery.

Collaborative Engineering: Lösungen und Herausforderungen in der Entwicklung von Raumfahrtsystemen
A. Gerndt, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Braunschweig

Die Planung von Raumfahrtmissionen und die Entwicklung von Raumfahrzeugen sind zeitaufwändige und fehleranfällige Prozesse. Häufig kommen Standard-Office-Software wie Word und Excel oder domänenspezifische Programme wie Catia und Matlab/Simulink zum Einsatz, die nur eingeschränkt den Entwicklungszyklus abbilden und unterstützen können. Zudem sind sie nicht flexibel genug um alle beteiligten Ingenieurdisziplinen in angemessener Weise durch alle Phasen des Designprozesses zu führen. Genau hier setzt das am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelte Software-Rahmenwerk „Virtueller Satellit“ an und wartet mit optimierten Unterstützungsprozessen auf. Es wird bereits erfolgreich in frühen Planungsphasen im sogenannten Concurrent Engineering mit dem Ziel eingesetzt ein einheitliches Verständnis für das Gesamtsystem zwischen den verschiedenen beteiligten Ingenieurdisziplinen zu vermitteln. Im Mittelpunkt steht dabei ein einheitliches Datenmodell, das nicht nur für die Definition von Missionsanforderungen herangezogen werden kann. Vielmehr lassen sich hier moderne Forschungsmethoden aus dem Bereich des Model-based Systems Engineering (MBSE) ansetzen. Domänenspezifische Modelle werden hierbei nicht nur für die Erzeugung von vollständig ausführbaren Prototypen verwendet, sondern liefern auch gleich noch die passende Testumgebung mit allen spezifizierten Testfällen mit. Noch wichtiger ist jedoch die Tatsache, dass das Designdatenmodell und das dynamische Systemverhalten mithilfe formaler Methoden gegen die Missionsanforderungen verifiziert werden können. In dem Vortrag werden die Herausforderungen in diesem Forschungsbereich stärker hinterleuchtet und vielversprechende Ansätze präsentiert um den Planungsprozess für zukünftige Raumfahrtmissionen noch weiter zu verbessern.

 ATV Avioncs System Testing
J. Hartmann, Astrium Space Transportation, Bremen

The Automated Transfer Vehicle or ATV is an expendable, unmanned resupply spacecraft developed by the European Space Agency (ESA). ATVs are designed to supply the International Space Station (ISS) with propellant, water, air, food, payloads and experiments. In addition, ATVs can reboost the station into a higher orbit or stabilize current orbit.

An ATV approaches the ISS automated guided by an on-board navigation system based on fault tolerant avionics architecture. Avionics system faults or restarts are problematic especially during near range approaching and docking to the ISS, because of the potential endangering of the ISS crew. Thus, system qualification and system testing of the ATV flight configuration is a challenge starting at the equipment level.

System testing and in particular the flight model acceptance requires a comprehensive test strategy. Dedicated access points into the system are required on the one hand, on the other hand the absence of side effects of these additional accesses must be ensured. At the same time the highest standards with respect to mechanical integration, temperature changes, and radiation tolerance have to be fulfilled.