Archiv des Monats: Juli 2009

Verfolgungsjagd winziger Vehikel

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Presseinformation der LMU München vom 20.07.2009 

Mikroskop zeigt Nanofähren auf dem Weg in die Zelle

Nanopartikel sind nur Millionstel Millimeter groß und können aufgrund ihrer vielfältigen, oft noch unbekannten Eigenschaften ganz neuartige Produkte liefern. In der medizinischen Therapie etwa sollen winzige Nanofähren Wirkstoffe oder auch Gene in Zellen schleusen. Ob solche Ansätze gelingen, zeigte im Test bislang allerdings nur der Erfolg – wenn etwa das transportierte Gen in der Zelle auf gewünschte Weise aktiv wurde. Unter der Leitung des LMU-Physikochemikers Christoph Bräuchle konnte ein Forscherteam in Kooperation mit Privatdozent Dr. Christian Plank von der TU München nun aber eine hochempfindliche mikroskopische Technik einsetzen, die einzelne Nanopartikel auf ihrem Weg in die Zelle verfolgt – in Echtzeit sowie in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Untersucht wurden magnetische Nanopartikel, die unter anderem in der Krebstherapie zum Einsatz kommen könnten. Die hochempfindliche Methode soll künftig auch ein besseres Verständnis bereits bestehender Nanovektoren sowie die Entwicklung neuer Systeme erlauben. Die Studie ist die Titelgeschichte der aktuellen Ausgabe des Fachjournals „Journal of Controlled Release“. (Journal of Controlled Release, 20. Juli 2009)

Nanopartikel sind so klein, dass viele Barrieren im Körper für sie kein Hindernis darstellen. Sie können sich auch über den Blutkreislauf im ganzen Körper verteilen. Deshalb sollen die synthetischen Teilchen in Zukunft Medikamente gezielt zum Krankheitsherd im Körper bringen. „Auch Gene ließen sich wohl auf diesem Weg transportieren“, sagt Plank. „Damit könnten in der von Rückschlägen geplagten Gentherapie weitere Durchbrüche erzielt werden. Denn noch immer fehlt es in erster Linie am passenden Transporter.“ Bislang kamen vor allem Viren als Vehikel zum Einsatz, die aber auch in entschärftem Zustand unerwünschte Nebenwirkungen auslösen können.

Die Nanofähren dagegen würden maßgeschneidert produziert und könnten im günstigsten Fall, so die Hoffnung vieler Forscher und Ärzte, ihre genetische Fracht oder den Wirkstoff zielgerichtet und ohne Nebenwirkungen ans Ziel bringen. Für eine solche „Targeted Delivery“ benötigen die Nanofähren aber eine Art Suchsystem, das sie zu den Zielstrukturen führt. Magnetische Teilchen werden etwa in der Krebstherapie erprobt: Sie könnten per Infusion verabreicht und dann über ein Magnetfeld zum Tumor dirigiert werden. Dort sollen sie dann gezielt in die Tumorzelle eindringen. Für eine mögliche Zulassung und etwa auch für die Dosisbestimmung muss aber bekannt sein, auf welchem Weg und wie effizient Nanopartikel im Körper transportiert und von den Tumorzellen aufgenommen werden.

Bislang fehlte jede Möglichkeit, die Nanopartikel auf ihrem Weg, insbesondere in die lebende Tumorzelle, zu verfolgen. Erst das Auftreten oder Ausbleiben der therapeutischen Wirkung zeigte, ob ein Ansatz Erfolg versprach oder nicht. „Das ist wie eine Black Box“, sagt Bräuchle. „Man gibt vorne was rein und wartet ab, ob hinten was rauskommt. Was in der Zwischenzeit passiert, lässt sich nicht überprüfen.“ In seinem Arbeitskreis wurde nun die hochempfindliche Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt, um den Weg von Nanofähren zu verfolgen. Bei diesem hochempfindlichen Verfahren werden einzelne Partikel mit einem Farbstoff markiert, der wie eine „molekulare Lampe“ den Weg der Partikel in die Zelle hinein sichtbar macht.

„Wir haben auf diese Weise magnetische Lipoplex-Nanopartikel verfolgt und ihren Transport in Form von Filmen aufgezeichnet“, berichtet Anna Sauer, die Erstautorin der Studie. „Wir konnten die Partikel auf ihrem Weg in die Zelle mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung in Echtzeit beobachten.“ Dabei ließen sich einzelne Phasen unterscheiden: Wie das Teilchen die Zellmembran erreicht, sich dort niederlässt und schließlich – eingeschlossen in ein Membranvesikel – in das Zellinnere gelangt. Dort bewegt sich das Vesikel ungerichtet und oft auch in ungewöhnlicher Weise, bis es von einem sogenannten Motorprotein aufgegriffen und schnell Richtung Zellkern transportiert wird, dem Zielort für das Gen.

Die einzelnen Etappen dieses Weges können die Forscher nun charakterisieren und detailliert beschreiben. „Das neue Verfahren hat auch Engpässe im Transport der Nanofähren offengelegt“, berichtet Bräuchle. „So konnten wir etwa sehen, dass das Magnetfeld die Partikel nur außerhalb der Zellen dirigieren kann. Den Eintritt in die Zellen erleichtert es aber wider Erwarten nicht. Dank der neuen Einsichten können die bestehenden Nanofähren in Zukunft entsprechend optimiert und auch neue Systeme entwickelt werden.“ (suwe)

Die Arbeiten wurden im Rahmen der Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) und Center for Integrated Protein Science Munich (CIPSM) durchgeführt.

Publikation:
„Dynamics of magnetic lipoplexes studied by single particle tracking in living cells“
A.M. Sauer, K.G. de Bruin, N. Ruthardt, O. Mykhaylyk, C. Plank, C. Bräuchle,
Journal of Controlled Release, 20. Juli 2009

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Virtuelle Konstruktion von Energieanlagen

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Juli 2009

Photovoltaik- und Windenergieanlagen, Wasserkraftwerke und Biogasanlagen liefern Strom, ohne die Umwelt zu belasten. Konstruktion und Wartung sind jedoch aufwändig. Virtuelle Realität VR erleichtert Planung und Betrieb.

Dem Ingenieur brummt der Kopf: Seit Stunden wertet er am PC Daten aus – ein Ende ist nicht in Sicht. Für die Planung eines Wasserkraftwerks möchte er wissen, welche Drücke, Temperaturen oder Strömungsbewegungen von Flüssigkeiten in der Anlage herrschen werden. Dies kann er mit einer Simulationssoftware berechnen. Diese liefert ihm jedoch nur riesige Zahlenkolonnen oder eindimensionale Darstellungen, die er Stück für Stück analysieren muss – eine mühselige Angelegenheit.

In Zukunft soll das einfacher gehen: Forscher aus dem Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg haben eine Methode entwickelt, welche die Abläufe im Inneren von Energiewandlungsanlagen – dazu gehören etwa Photovoltaik-, Wind-, Biogasanlagen und Wasserkraftwerke – bildhaft darstellt. Dazu haben sie die 3-D-Anlagenkonstruktion und die Ergebnisse von Simulationen mit einem am IFF entwickelten Virtual-Reality-Programm, kurz VR, gekoppelt. »Mit einem speziellen Software-Tool ist es uns erstmals gelungen, die Bewegungsabläufe sichtbar zu machen – mit nur einem Knopfdruck«, erklärt Dr. Matthias Gohla, Leiter des Geschäftsfelds Prozess- und Anlagentechnik.

Pfeile zeigen an, in welcher Richtung und Geschwindigkeit Flüssigkeiten und Gase durch die Anlage strömen. Farbige Markierungen weisen ihn auf potenzielle Schwachstellen hin, wie Bereiche, in denen es zu kritischen Temperaturen, Ablagerungen oder Erosionen kommen kann. Drohen Kollisionen, wenn sich die Anlagenteile bewegen? Die virtuellen Einblicke erleichtern die Konstruktion und sollen dafür sorgen, dass die Anlagen leistungsstärker und emissionsärmer werden.

»Auch Anlagenbetreibern hilft unser VR-Modell im täglichen Betrieb«, sagt Projektleiter Dr. Martin Endig. Beispielsweise lässt sich im System eine umfangreiche Dokumentation implementieren. Um Daten zu einem bestimmten Anlagenteil zu erhalten, muss der Techniker nur auf die entsprechende Darstellung klicken, anstatt in seitenlangen Bedienungsanleitungen nach der gewünschten Information zu suchen. Personal kann bereits im Umgang mit der Anlage geschult werden, bevor diese in Betrieb geht. Dabei lassen sich auch kritische Situationen durchspielen, ohne dass die Mitarbeiter gefährdet werden. Aktuell arbeiten die Entwickler an einem weiteren Tool, das dem Betreiber anzeigt, wann ein Bauteil gewartet werden muss.

Externer Link: www.fraunhofer.de

„Grüne“ Energie aus Algen

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 10.07.2009

„Algenplattform“ am KIT entwickelt effiziente Photoreaktoren und neuartige Methoden für den Zellaufschluss

Angesichts der Verknappung petrochemischer Rohstoffe und des Klimawandels ist die Entwicklung CO2-neutraler nachhaltiger Brennstoffe eine der drängendsten Herausforderungen unserer Zeit. Energiepflanzen wie Raps oder Ölpalme sind wegen der Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion in die Diskussion geraten. Einen wichtigen Beitrag für die Energieversorgung von morgen könnte daher die Kultivierung von Mikroalgen bieten. Um diese energetisch nutzen zu können, entwickeln Wissenschaftler am KIT geschlossene Photoreaktoren und neue Verfahren für den Zellaufschluss.

Mikroalgen sind einzellige, pflanzenartige Organismen, die Photosynthese betreiben und Kohlendioxid (CO2) in Biomasse umwandeln. Aus dieser Biomasse lassen sich sowohl Wert- und Wirkstoffe, als auch Energieträger wie Biodiesel gewinnen. Da Algen bei ihrem Wachstum zuerst die Menge an CO2 aufnehmen, die sie später bei der energetischen Nutzung wieder freisetzen, lässt sich Energie aus Algen im Gegensatz zu konventionellen Energieträgern CO2-neutral gewinnen.

Neben der Chance der CO2-neutralen Kreislaufwirtschaft, haben die Algen noch einen weiteren Vorteil: Industrielle CO2-Emissionen lassen sich als „Rohstoff“ nutzen, da Algen bei hohen Kohlendioxid-Konzentrationen schneller wachsen und damit mehr energetisch nutzbare Biomasse produzieren.

Dies ist jedoch nicht ihr einziger Pluspunkt: „Verglichen mit Landpflanzen produzieren Algen bis zu fünfmal so viel Biomasse pro Hektar und enthalten 30 bis 40 Prozent energetisch nutzbare Öle“, so Professor Clemens Posten, der diese Forschung am Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik am KIT leitet. Da sich Algen auch in ariden, also trockenen Gegenden kultivieren lassen, die sich für den Landbau nicht eignen, bestehe kaum Konkurrenz zu den Agrarflächen. Dazu sind dort jedoch geschlossene Systeme notwendig.

Gegenwärtig werden Algen in offenen Becken in südlichen Ländern mit relativ geringer Produktivität produziert. Genau hier setzt Postens neue Technologie an. „Wir gehen verfahrenstechnisch ganz anders heran und arbeiten mit geschlossenen Photo-Bioreaktoren“, so der Wissenschaftler. „Unsere Anlagen wandeln Sonnenenergie mit fünffach höherem Wirkungsgrad in Biomasse um als offene Becken.“ Die Plattenreaktoren stehen dabei senkrecht, ähnlich wie Photovoltaikzellen. „So sieht jede Alge ein bisschen weniger Licht, die Anlage arbeitet dafür aber mit höherem Wirkungsgrad“, betont der Biologe und Elektrotechniker.

Die Algenproduktion funktioniert daher nicht nur in Ländern mit extrem hoher Sonneneinstrahlung. Die meisten Algen benötigen maximal zehn Prozent des ankommenden Sonnenlichts. Der Rest werde einfach verschwendet, falls man nicht ein optimales Lichtmanagement im Photo-Bioreaktor habe, so der Wissenschaftler Posten. Denn in der Sahara gebe es gerade mal doppelt so viel Sonne wie bei uns, dafür müsse man dort aber den Reaktorinhalt kühlen. Weitere Vorteile des geschlossenen Systems sind drastische Ersparnisse an Wasser und Düngemitteln. Dabei ist auch eine Doppelnutzung zur Produktion von Lebensmitteln oder Feinchemikalien aus den Algen und der anschließenden energetischen Verwertung der Restbiomasse denkbar.

An Postens Institut ist eine der beiden Arbeitsgruppen des KIT angesiedelt, die intensiv auf dem Gebiet der Algen-Biotechnologie forschen. „Bei der Entwicklung von Photo-Bioreaktoren gehören wir mittlerweile zu den drei Standorten weltweit, in denen man in der Verfahrenstechnik, und nicht nur in der Biologie, deutlich vorankommt“, so Posten.

Wo sein Forschungsgebiet am Campus Süd des KIT aufhört, setzt die Abteilung Hochleistungsimpulstechnik am Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik am KIT-Campus Nord an. Hier geht es darum, mittels Elektroimpulsbehandlung der Algenbiomasse die wertvollen Inhaltsstoffe zu entlocken. Bisher hat Dr. Georg Müller, der die Abteilung leitet, zusammen mit Partnern aus Forschung und Industrie den Aufschluss von Pflanzenzellen wie Oliven, Weintrauben, Äpfeln, Zuckerrüben und terrestrischen Energiepflanzen erforscht und teilweise großtechnisch umgesetzt. „Unser Ziel ist es, neue wirtschaftliche und nachhaltige Extraktionsverfahren zu entwickeln, um möglichst viel energetisch nutzbare Zellinhalte aus den Algen zu erhalten“, so Müller. „Bei unserem Verfahren werden Pflanzenzellen für sehr kurze Zeit einem hohen elektrischen Feld ausgesetzt. Dies führt zur Perforierung der Zellmembran und Freisetzung von Inhaltsstoffen“.

Die Kooperation der beiden Arbeitsgruppen soll nun das vorhandene Know-how bündeln und nutzt dazu eine Anschubfinanzierung des KIT-Zentrums Energie. Geplant ist der Aufbau einer KIT-„Algenplattform“ für die energetische Nutzung von Mikroalgen. Mittelfristig sollen hierfür auf dem Campus Nord des KIT Pilot- und Demonstrationsanlagen entstehen unter Nutzung der räumlichen und infrastrukturellen Vorteile. „Damit knüpfen wir einen wichtigen Knoten in der momentan rapide ablaufenden Vernetzung in der Algenbiotechnologie“, so Posten. Um die Energiegewinnung aus Algen wirtschaftlich zu machen, wird es darum gehen, die Investitions- und Betriebskosten für Photo-Bioreaktoren gering zu halten und gleichzeitig hocheffiziente Verfahren zur Ernte und für den Aufschluss der Algen zu entwickeln.

Um den Kreislauf zur vollständigen energetischen Nutzung der Algenbiomasse zu schließen, gehen die KIT-Forscher noch einen Schritt weiter. Die nach der Extraktion verbleibende Biomasse (60-70 Prozent) soll durch das am Campus Nord entwickelte Verfahren der hydrothermalen Vergasung in weitere Energieträger wie Wasserstoff oder Methan umgewandelt werden. (lg)

Externer Link: www.kit.edu

Münzwurf im Mikrokosmos

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Pressemitteilung der Universität Bonn vom 09.07.2009

Bonner Physikern gelingt ein erster Schritt hin zu extrem schnellen Suchalgorithmen für den Quantencomputer

Wenn man eine Münze wirft, liegen danach entweder Kopf oder Zahl oben. Im Mikrokosmos geht es dagegen nicht so eindeutig zu: Eine atomare „Münze“ kann nach dem Wurf eine Überlagerung aus Kopf und Zahl zeigen – allerdings nur, solange man nicht hinschaut. Dann nämlich entscheidet sie sich für einen dieser beiden Zustände. Überlässt man einer solchen Münze die Entscheidung, wohin ein Quantenteilchen wandern soll, treten ungewöhnliche Effekte auf. Diese Effekte haben nun Physiker der Universität Bonn erstmals in einem Experiment mit Caesium-Atomen zeigen können. Ihre Studie erscheint in der kommenden Ausgabe des Wissenschafts-Magazins „Science“.

Mal angenommen, wir würden folgendes Experiment durchführen: Wir drücken einer Versuchsperson – nennen wir sie der Einfachheit halber Hans – eine Münze in die Hand. Hans soll sie nun mehrmals hintereinander werfen. Immer wenn sie „Kopf“ zeigt, soll er einen Schritt nach rechts machen. Liegt dagegen „Zahl“ oben, geht es einen Schritt nach links. Nach 10 Würfen schauen wir, wo Hans steht. Wahrscheinlich wird er sich nicht allzu weit vom Ausgangspunkt entfernt haben: „Kopf“ und „Zahl“ fallen in etwa gleich häufig. Um 10 Schritte nach rechts zu gehen, müsste Hans dagegen 10 Mal hintereinander „Kopf“ werfen. Und das kommt eher selten vor.

Nun sei unser Hans ein sehr geduldiger Mensch – so geduldig, dass er dieses Experiment 1.000 Mal hintereinander durchführt. Nach jedem Durchgang notieren wir seinen Standort. Wenn wir am Ende das Ergebnis als Grafik auftragen, erhalten wir eine typische Glockenkurve: Sehr häufig endet Hans nach 10 Würfen irgendwo in der Nähe des Startpunkts. Weit links oder rechts finden wir ihn dagegen sehr selten.

Das Experiment nennt sich „Zufallswanderung“, englisch: „random walk“. Das Phänomen ist in vielen Bereichen der modernen Wissenschaft zu finden, etwa als Brownsche Molekularbewegung. In der Welt der Quantenphysik gibt es ein Analogon mit verblüffenden, neuen Eigenschaften, den „quantum walk“. Bisher war er mehr oder weniger ein theoretisches Konstrukt. Doch Physiker der Universität Bonn haben nun tatsächlich einen solchen „quantum walk“ durchgeführt.

Als Läufer und gleichzeitig Münze diente ihnen ein einzelnes Caesium-Atom, das sie mit einer Art Pinzette aus Laserstrahlen festhielten. Atome können verschiedene quantenmechanische Zustände annehmen – ähnlich wie bei einem Geldstück entweder Kopf oder Zahl oben liegt. Doch im Mikrokosmos ist alles ein wenig komplizierter: Quantenteilchen können nämlich in einer Überlagerung verschiedener Zustände existieren. Es liegen dann gewissermaßen gleichzeitig „ein bisschen Kopf“ und „ein wenig Zahl“ oben. Physiker sprechen auch von Superposition.

Die Bonner Physiker haben ihr Caesium-Atom mit zwei Förderbändern aus Laserstrahlen in entgegengesetzte Richtungen gezogen – den „Kopf“-Anteil nach rechts, den „Zahl“-Anteil nach links. „So konnten wir die beiden Zustände um Bruchteile eines tausendstel Millimeters gegeneinander verschieben“, erklärt Dr. Artur Widera vom Bonner Institut für Angewandte Physik. Danach „würfelten“ die Forscher neu und brachten jeden der beiden Bestandteile wieder in eine Superposition aus Kopf und Zahl.

Nach mehreren Schritten dieses „quantum walks“ befindet sich ein solches auseinander gezerrtes Caesium-Atom gewissermaßen überall. Erst wenn man seine Position misst, „entscheidet“ es sich, an welcher Stelle des „Laufstegs“ es auftauchen möchte. Die Wahrscheinlichkeit für seine Position wird durch einen zweiten Effekt der Quantenmechanik dominiert: Zwei Teile des Atoms können sich nämlich gegenseitig verstärken oder auslöschen; der Physiker spricht wie bei Licht von Interferenz.

Wie im Beispiel mit dem Münzwerfer Hans kann man diesen „quantum walk“ nun viele Male wiederholen. Man erhält dann ebenfalls eine Kurve, die die Aufenthalts-Wahrscheinlichkeit des Atoms widerspiegelt. Und genau das haben die Bonner Physiker gemessen. „Unsere Kurve unterscheidet sich deutlich von den Resultaten des klassischen random walks und hat ihr Maximum nicht in der Mitte, sondern an den Rändern“, betont Wideras Kollege Michal Karski. „Das ist exakt, was wir nach theoretischen Überlegungen erwarten und was den quantum walk so attraktiv für Anwendungen macht.“ Zum Vergleich haben die Forscher nach jedem einzelnen „Münzwurf“ die quantenmechanische Superposition zerstört. Dabei wird aus dem „quantum walk“ ein „random walk“, und das Caesium Atom verhält sich wie Hans. „Und genau das ist der Effekt, den wir sehen“, sagt Karski.

Die Gruppe um Professor Dr. Dieter Meschede arbeitet bereits seit vielen Jahren an der Entwicklung so genannter Quantencomputer. Mit dem „quantum walk“ ist dem Team nun ein weiterer bahnbrechender Schritt auf diesem Weg gelungen. „Mit dem von uns gezeigten Effekt lassen sich ganz neue Algorithmen realisieren“, erklärt Widera. Ein Beispiel sind Suchvorgänge: Will man heute in einer Reihe von Nullen eine einzige Eins aufspüren, muss man alle Ziffern einzeln überprüfen. Der Aufwand steigt daher linear mit der Zahl der Ziffern. Bei einem „quantum walk“-Algorithmus kann der Wanderer dagegen an vielen Stellen gleichzeitig suchen. Die Suche nach der sprichwörtlichen Nadel im Heuhaufen würde dadurch extrem beschleunigt.

Externer Link: www.uni-bonn.de

Von Fliegen Sehen lernen

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Pressemitteilung der TU München vom 09.07.2009

Flugsimulator für Insekten hilft bei Konstruktion intelligenter Roboter

Scheinbar plumpe und ordinäre Schmeißfliegen sind wahre Flugkünstler. Plötzliche Richtungsänderungen, in der Luft stehen, blitzschnell um die eigene Achse drehen und punktgenaue Landungen sind für sie selbstverständlich. Extrem schnelle Augen helfen ihnen, im rasanten Hin und Her die Orientierung nicht zu verlieren. Doch: Wie verarbeitet ihr winziges Gehirn so schnell und effizient die Vielzahl der Bilder und Signale? Um das zu ergründen, haben Wissenschaftler des Münchner Exzellenzclusters „Cognition for Technical Systems (CoTeSys)“ einen Flugsimulator für Fliegen gebaut. Hier erforschen sie, was in den Fliegengehirnen abläuft. Ihr Ziel: Dass Menschen diese Fähigkeiten nutzen können, etwa für Roboter, die eigenständig ihre Umgebung wahrnehmen und daraus lernen.

Fliegengehirne leisten Unglaubliches. Sie navigieren im schnellen Flug mit halsbrecherischen Kurven um Hindernisse, reagieren in Sekundenbruchteilen auf die Hand, die sie fangen will, und finden zielsicher zu den stark riechenden „Leckerbissen“, von denen sie leben. Seit langem weiß die Forschung, dass Fliegen sehr viel mehr Bilder wahrnehmen als Menschen. Während für menschliche Augen spätestens ab 25 Bildern pro Sekunde Einzelbilder in einen kontinuierlichen Bewegungsablauf übergehen, erkennen Schmeißfliegen noch 100 Bilder pro Sekunde als einzelne Sinneseindrücke, können sie blitzschnell interpretieren und so ihre Bewegung steuern und die Lage im Raum exakt bestimmen.

Dabei ist das Fliegengehirn kaum größer als ein Stecknadelkopf. Würde es genauso funktionieren, wie das Gehirn des Menschen, würde dies bei Weitem nicht zu solchen Leistungen ausreichen. Es muss die Bilder von den Augen also einfacher und sehr viel effizienter zu einer visuellen Wahrnehmung verarbeiten. Effiziente Wahrnehmung von visuellen Signalen aber ist etwas, was Roboterkonstrukteure ganz besonders interessiert, denn Roboter haben heute noch große Schwierigkeiten, ihre Umgebung nicht nur mit Kameras zu sehen, sondern auch wahrzunehmen, was sie sehen. Selbst das Erkennen von Hindernissen in ihrer eigenen Arbeitsfläche dauert viel zu lange. Daher müssen bislang beispielsweise Menschen noch mit Schutzgittern vor den maschinellen Helfern geschützt werden. Eine direkte, unterstützende Zusammenarbeit von intelligenten Maschinen und Menschen aber ist ein zentrales Forschungsziel des Exzellenzclusters „CoTeSys“ (Cognition for Technical Systems), zu dem sich im Raum München rund 100 Wissenschaftler von fünf Hochschulen und Forschungsinstituten zusammengefunden haben.

Im Rahmen von „CoTeSys“ erkunden Hirnforscher des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie, wie Fliegen es schaffen, ihre Umwelt und ihre Bewegung so effizient wahrzunehmen. Unter Leitung des Neurobiologen Prof. Alexander Borst haben sie einen Flugsimulator für Fliegen gebaut. Hier werden Schmeißfliegen auf einem halbrunden Display unterschiedliche Muster, Bewegungen und Sinnesreize vorgespielt. Die Insekten sind an einem Halter befestigt, damit Elektroden die Reaktionen der Gehirnzellen registrieren können. Die Forscher analysieren so, was im Fliegengehirn passiert, wenn die Tiere wie wild kreuz und quer durch ein Zimmer sausen.

Die ersten Ergebnisse zeigen Eines ganz deutlich: Fliegen verarbeiten die Bilder ihrer unbeweglichen Augen ganz anders als das menschliche Gehirn. Bewegungen im Raum erzeugen sogenannte „optische Flussfelder“, die für eine ganz bestimmte Bewegung charakteristisch sind: Bei einer Vorwärtsbewegung fließen die Objekte seitlich vorbei, bei frontalem Anflug vergrößern sich die Objekte, nahe und weit entfernte Dinge bewegen sich ganz unterschiedlich. Die Fliege erstellt als ersten Schritt in ihrem winzigen Gehirn aus diesen Bewegungen ein Muster. Geschwindigkeit und Richtung, mit denen sich einzelne Bildpunkte vor den Augen scheinbar bewegen, ergeben in jedem Moment ein typisches Bild von Bewegungsvektoren, das Flussfeld, das schließlich in einem zweiten Schritt in der sogenannten „Lobula-Platte“ ausgewertet wird, einer höheren Ebene des Sehzentrums. In jeder Gehirnhälfte sind lediglich 60 Nervenzellen dafür zuständig – jede reagiert besonders intensiv, wenn das für sie passende Muster vorliegt. Wichtig für die Analyse der optischen Flussfelder ist, dass die Bewegungsinformation von beiden Augen zusammen geführt wird. Dies geschieht über eine direkte Verschaltung der spezialisierten Nervenzellen, sogenannte VS-Zellen. So ergibt sich für die Fliege eine exakte Information über ihre Lage und Bewegung.

„Durch unsere Ergebnisse ist das für Rotationsbewegungen zuständige Netzwerk der VS-Zellen im Fliegengehirn heute einer der am besten verstandenen Schaltkreise des Nervensystems“, erläutert Prof. Borst die Bedeutung dieser Untersuchungen. Diese Arbeiten bleiben aber nicht bei der reinen Grundlagenforschung stehen. Die Befunde der Martinsrieder Fliegenforscher sind besonders auch für die Ingenieure am Lehrstuhl für Steuerungs- und Regelungstechnik der Technischen Universität München (TUM) interessant, mit denen Prof. Borst im Rahmen von „CoTeSys“ eng zusammenarbeitet.

Die Forscher an der Technischen Universität entwickeln unter Leitung von Prof. Martin Buss und Dr. Kolja Kühnlenz intelligente Maschinen, die über Kameras ihre Umwelt beobachten, daraus lernen und flexibel auf die jeweilige Situation reagieren. Zielsetzung dieser Forschungsarbeiten sind intelligente Maschinen, die direkt mit dem Menschen umgehen können, auf ihn reagieren und ihn nicht gefährden. Auch die Schutzzäune in den Fabriken zwischen Menschen und Robotern sollen fallen. Dafür sind einfache, schnelle und effiziente Verfahren für die Analyse und die Interpretation von Kamerabildern unbedingt erforderlich.

Die TUM-Forscher entwickelten beispielsweise einen kleinen Flugroboter, der Fluglage und Bewegung durch visuelle Analyse im Computer nach dem Vorbild der Fliegengehirne kontrolliert. Einem fahrbaren Roboter, dem Autonomous City Explorer (ACE) wurde die Aufgabe gestellt, durch Ansprechen und Fragen von Passanten vom Institut zum etwa 1,5 Kilometer entfernten Münchner Marienplatz zu finden. Dabei musste er auch die Gesten der Menschen interpretieren, die ihm den Weg zeigten, und er musste sich „verkehrsgerecht“ ausschließlich auf dem Gehsteig bewegen.

Ohne effiziente Bildanalyse ist ein Zusammenspiel von intelligenten Maschinen und Menschen nicht denkbar. Die Forschungsarbeiten am Flugsimulator für Fliegen bieten dafür durch den Austausch der Wissenschaftler aus unterschiedlichen Disziplinen im Rahmen von CoTeSys einen interessanten Ansatz, der auch einfach genug erscheint, um technisch umsetzbar zu sein.

Externer Link: www.tu-muenchen.de