Archiv der Kategorie: Hochschule

Weiterspielen für die Wissenschaft

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Presseinformation der LMU München vom 02.12.2013

Mit den Onlinespielen Artigo und Metropolitalia sammeln LMU-Wissenschaftler Daten für ihre Forschung. Die Bilanz ist so gut, dass die Webplattformen trotz Projektende weiterlaufen.

Der Erfolg des Spieles Artigo zeigt sich in zwei Zahlen: 180.000 Mitspieler haben seit Start der Webplattform bei dem Spiel mitgemacht. Sieben Millionen Schlagwörter, die Kunstwerke beschreiben, konnten so gesammelt werden.

Damit haben die Wissenschaftler im Projekt „play4science“ ihr Projektziel mehr als erreicht: Mit der Hilfe von Internetnutzern sollten Daten in der Kunstgeschichte und der italienischen Linguistik gesammelt werden. An dem interdisziplinären Projekt unter Federführung von Professor Hubertus Kohle, Inhaber des Lehrstuhls für Mittlere und Neuere Kunstgeschichte an der LMU, waren neben Kunsthistorikern Computer-Linguisten um Professor Klaus Schulz, Informatiker um Professor François Bry und Linguisten um Professor Thomas Krefeld beteiligt. Sie haben mit play4science in Zusammenarbeit mit der IT-Gruppe Geisteswissenschaften (ITG) die Idee des Crowdsourcing auf die Wissenschaft übertragen.

Bei der „Citizen Science“ beteiligen sich Laien freiwillig an der wissenschaftlichen Forschung. „Wir nutzen das Internet, um Menschen spielerisch dazu zu bringen, Aufgaben zu übernehmen, die von Computern allein nicht zu lösen sind“, sagt Hubertus Kohle.

Lernen und gewinnen

Das Spiel Artigo hat allein den Zweck, Bilddatenbanken zu verschlagworten und so eine Kunstsuchmaschine aufzubauen. Dafür werden zwei Spieler online von einer Software zusammengeschaltet. Kommen beide auf denselben Begriff, um ein Kunstwerk zu beschreiben, gibt es dafür Punkte. Der Wettbewerb um die meisten Punkte und Preise soll neben dem Lerneffekt Anreize bieten mitzumachen. 150 Personen täglich beteiligen sich im Durchschnitt beim Aufbau der Kunstsuchmaschine. Inzwischen gibt es verschiedene Spielversionen und ein Quiz auf der Webseite. Mehrere große Museen haben ihre Bildbestände für die Artigo-Suchmaschine zur Verfügung gestellt.

Beim Spiel Metropolitalia sollen die Mitspieler italienische Redewendungen einem sozialen Status und einer Herkunftsregion zuordnen sowie neue Ausdrücke nennen. Davon erwarten sich die Wissenschaftler zum Beispiel Informationen über die regionalspezifische Bedeutung von Redewendungen. Beim Wettbewerb „Prix Ars Electronica“ wurde die Webplattform mit einer „honorary mention“ ausgezeichnet.

Nach dem erfolgreichen Projektverlauf werden beide Spiele nun dauerhaft weitergeführt. Die Wissenschaftler gehen davon aus, noch deutlich mehr Daten sammeln zu können. Zudem soll bei Artigo nun untersucht werden, welches Wissen die gesammelten Schlagworte bergen. Möglicherweise lassen sich so zum Beispiel Hinweise auf die Entstehungszeit von Kunstwerken finden. Auch mehrere Nachfolgeprojekte bieten sich an. So könnten Spieler gemeinsam Werkzusammenstellungen erarbeiten und Kunstausstellungen im Internet verwirklichen. „Mit Artigo und Metropolitalia haben wir einen Ansatz realisiert, der sich auch in anderen empirisch fundierten Geistes- und Sozialwissenschaften anbietet“, sagt Hubertus Kohle. (nh)

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Smartphone wird zum 3D-Scanner

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 05.12.2013

Wissenschaftler der ETH Zürich haben eine App entwickelt, die ein gewöhnliches Smartphone in einen 3D-Scanner verwandelt. Die Software macht das Scannen von dreidimensionalen Objekten fast so einfach wie das Fotografieren.

3D-Scanning ermöglicht es, einen Gegenstand realitätsgetreu abzubilden und Daten über dessen Form und Erscheinung zu erfassen. Bisherige Verfahren sind meist sehr aufwendig, benötigen viel Hardware und eine hohe Rechenleistung, weshalb sie sich nicht für spontane Aufnahmen eignen. Wissenschaftler um Marc Pollefeys, Professor am Institut für Visual Computing der ETH Zürich, haben nun eine effiziente Software entwickelt, die sie für Smartphones optimiert haben. Das dreidimensionales Scannen ist für den Benutzer damit fast so einfach macht wie das Fotografieren. Die Wissenschaftler haben die Demoversion der App gestern an der International Conference on Computer Vision in Sydney erstmals der Öffentlichkeit vorgestellt.

Mehr Interaktion dank Echtzeit-Feedback

Ähnlich wie beim Fotografieren richtet der Benutzer die Kamera seines Smartphones auf ein beliebiges Objekt. Anstatt auf den Auslöser zu tippen, bewegt er das Gerät über das Objekt hinweg, damit es laufend Bilder aufzeichnen kann. Schon nach wenigen Aufzeichnungen erscheint auf dem Bildschirm ein 3D-Modell des auf diese Weise eingescannten Objekts. Solange der Benutzer seine Smartphone-Kamera über dieses hinweg bewegt, werden automatisch zusätzliche Bilder aufgenommen, die das 3D-Modell kontinuierlich verbessern.

Auf dem Smartphone-Display kann der Benutzer jederzeit überprüfen, ob Bildausschnitte fehlen oder ungenügend sind und das Objekt aus zusätzlichen Blickwinkeln scannen. Dieses Echtzeit-Feedback ist nur möglich, weil die App die dreidimensionale Darstellung direkt auf dem Smartphone berechnet. «Das ist ein riesiger Vorteil gegenüber bisherigen Lösungen, welche die verschiedenen Bilder erst in der Cloud verarbeiten müssen, und das 3D-Modell erst einige Zeit nach der Aufnahme anzeigen können.», erklärt Marc Pollefeys. Für den Informatikprofessor sind die bisherigen Methoden mit der analogen Fotografie vergleichbar. «Bevor digitale Kameras entwickelt wurden, sah man das Resultat auch erst dann, wenn man das Foto entwickelt hatte.»

Effiziente Berechnungen für kleine Geräte

Weitere Vorteile einer mobilen Anwendung liegen auf der Hand: 3D-Scans können mit dem Smartphone nicht nur überall und jederzeit gemacht werden. Mit den kleinen Geräten kann man Objekte auch einfach von verschiedenen Standpunkten aus abbilden. Die ETH-Technologie funktioniert selbst bei schlechten Lichtverhältnissen, wie beispielsweise in Museen oder Kirchen. So könnte künftig eine Besucherin im Museum eine Skulptur einscannen und sie später zu Hause detailliert betrachten und bearbeiten. Denkbar wäre auch, dass man das 3D-Modell in einer Cloud speichert und es von dort aus weiter verbessert.

Die Wissenschaftler setzten bei der Entwicklung der Software auf die herkömmlichen Sensoren, mit denen jedes Smartphone ausgestattet ist und benutzen neben der Kamera auch die vorhandenen Drehraten- und Beschleunigungssensoren. So konnten sie einen Scan-Prozess programmieren, der einfach und robust sowie intuitiv bedienbar ist. Sobald der 3D-Scan aktiviert ist, bestimmt das System aus den Bewegungen des Benutzers automatisch die richtigen Momente, in denen es die Bilder aufzeichnet. «Noch vor zwei Jahren hätte man eine solche Software nur auf grossen Computern laufen lassen können. Dass dies auf einem Smartphone funktioniert, wäre undenkbar gewesen», sagt Marc Pollefeys.

Verbesserte Interaktivität

Der mobile 3D-Scanner kann die absolute Grösse und die vertikale Ausrichtung eines Objekts ermitteln, was mit bisherigen 3D-Bildverfahren nicht möglich war. Dazu muss die App hunderttausende Bildpunkte rekonstruieren. Diese komplexen Berechnungen müssen jedoch so effizient ausgeführt werden, dass der Nutzer den aktuellen Stand des Scans unmittelbar auf dem Display sieht. Die ETH-Forschenden nutzten deshalb den Grafik-Co-Prozessor des Smartphones (GPU), um die Datenrekonstruktion zu beschleunigen.

Die Technologie erlaubt es auch, 3D-Modelle von Gesichtern zu erzeugen. Porträtbilder von Freunden und Familienangehörigen oder Profilbilder in sozialen Medien könnten so in Zukunft eine dritte Dimension erhalten. Anwendungen sehen die Wissenschaftler überall dort, wo Visualisierungen zum Einsatz kommen. Die 3D-Modelle können auch mit einem 3D-Printer ausgedruckt werden.

Die App gibt es zurzeit erst als Demoversion, läuft aber auf fast allen gängigen Smartphones mit Android Betriebssystem.

Externer Link: www.ethz.ch

Behandlung von Augenkrankheit am Computer simuliert

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 28.11.2013

Eine neue Studie zeigt die Möglichkeiten und Grenzen auf, wie mit Hilfe der Optogenetik verbreitete Formen der Erblindung bekämpft werden können

Die sogenannte Optogenetik gilt seit einigen Jahren als vielversprechender Therapieansatz bei fortschreitender Erblindung, wie sie beispielsweise durch eine Degeneration der Netzhaut ausgelöst wird. Um diesen Therapieansatz weiterentwickeln zu können, haben Marion Mutter und Dr. Thomas Münch vom Werner Reichardt Centrum für Integrative Neurowissenschaften (CIN) und vom Bernstein Zentrum für Computational Neuroscience (BCCN) an der Universität Tübingen nun ein Computermodell entwickelt, mit dem sich das „optogenetische Sehen“ simulieren lässt. Die Studie wurde am 27.11.2013 im Fachmagazin PLOS ONE veröffentlicht.

Die Retinitis pigmentosa ist eine Netzhautdegeneration, bei der die Fotorezeptoren im Auge absterben. Um dem damit einhergehenden Verlust des Augenlichts entgegenzuwirken, werden bei optogenetischen Verfahren lichtempfindliche Eiweißstoffe, sogenannte Kanal-Rhodopsine, in die Netzhaut eingebaut. Jede Zelle, die Kanal-Rhodopsine in sich trägt, kann durch Licht aktiviert werden. Nach optogenetischer Behandlung  können dann benachbarte Zellen im Auge die fehlende Funktion der Fotorezeptoren übernehmen. Tatsächlich konnten damit bereits Erfolge zur Wiederherstellung der Sehfunktion bei blinden Mäusen erzielt werden. In den vergangen Jahren wurde so der Grundstein für die Behandlung von Blindheit mit optogenetischen Ansätzen gelegt.

Allerdings stößt man bei dieser Methode auch an Grenzen. So kommt das menschliche Sehsystem normalerweise problemlos mit extremen Lichtverhältnissen in der Umgebung zurecht: wir können bei schwachem Sternenlicht bis hin zu gleißendem Sonnenschein sehen. Im Gegensatz dazu wäre man zu „optogenetischem Sehen“ mit den bisher im Labor entwickelten Kanal-Rhodopsinen nur bei allerhellstem Sonnenschein in der Lage.

Vor allem in Hinblick auf mögliche künftige Anwendungen beim Menschen wäre es wünschenswert, die Eigenschaften der Kanal-Rhodopsine weiter zu verbessern. Wie diese Verbesserungen erreicht werden könnten, haben die Forscher an dem eigens entwickelten Computermodell untersucht. Dieses Modell ermöglicht es, verschiedene Varianten der Kanal-Rhodopsine daraufhin zu bewerten, wie gut sie die Wiederherstellung der Sehfähigkeit unterstützen. „Wenn ein solches Molekül von Licht angeregt wird“, erklärt Marion Mutter, „dann durchläuft es eine definierte Abfolge von Zuständen, die letztlich die Lichtantwort des behandelten Auges bestimmen.“ In der Vergangenheit wurden Kanal-Rhodopsine hauptsächlich optimiert, um Fragen der neurobiologischen Grundlagenforschung voranzubringen. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass das optogenetische Sehen von ganz anderen Optimierungen profitieren würde, die bisher vernachlässigt wurden“, sagen Marion Mutter und Thomas Münch.

Welche Auswirkungen hätten die beschriebenen Verbesserungen auf das Sehvermögen? „Unseren Berechnungen zufolge ist es möglich, den Empfindlichkeitsbereich des optogenetischen Sehens um mehr als das Hundertfache auszudehnen“, meint der Projektleiter Thomas Münch. In der klinischen Praxis könnte das nach den Berechnungen der Tübinger Wissenschaftler dazu führen, dass Patienten nach einer optogenetischen Behandlung in Zukunft auch bei heller Zimmerbeleuchtung noch etwas sehen können. „Dann sind aber die biophysikalischen Grenzen erreicht“, sagt Münch. „Wir konnten in unserer Studie allerdings auch die Ursachen dieser Grenzen aufzeigen und damit die Richtung für neuartige zukünftige Optimierungen vorgeben.“

Originalpublikation:
Marion Mutter & Thomas A. Münch (2013): Strategies for expanding the operational range of channelrhodopsin in optogenetic vision. PLOS ONE, DOI: 10.1371/journal.pone.0081278

Externer Link: www.uni-tuebingen.de

Weltrekord: Längstes EKG nicht-invasiv gemessen

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 21.11.2013

Bis zu sechs Monate lässt sich die Herzfunktion von Patienten mit einem neuartigen Sensorgurt überwachen – Elektroden lassen sich ohne Leitpaste oder operativen Eingriff nutzen

Herzkranke können schnell zu Notfallpatienten werden. Dann entscheiden Sekunden über Leben und Tod. Dabei deuten sich viele Herzleiden schon über Monate mit Symptomen an, die jedoch leicht übersehen werden. Helfen kann hier ein Langzeit-EKG. Ein am KIT entwickelter Sensorgurt erlaubt es nun erstmals die Herzaktivität eines Patienten langfristig rund um die Uhr zu protokollieren; bis zu 6 Monate lang. Den Sensorgurt stellen die Forscher zurzeit auf der Fachmesse Medica in Düsseldorf vor.

„Mit dem Sensorgurt wird es sehr einfach, auch seltene Herzereignisse zu erkennen, um damit eine geeignete Therapie herbeizuführen“, erklärt Wilhelm Stork vom Karlsruher Institut für Technologie. Das Gerät ermöglicht es, eine Reihe von Parametern wie Herz- und Atemfrequenz, Aktivität und Leitfähigkeiten kontinuierlich über einen sehr langen Zeitraum zu messen und ein Elektrokardiogramm (EKG) zu erstellen. „Der Arzt hätte dann alle Daten zur Hand, um dem Patienten so früh zu helfen, dass es erst gar nicht zu einer Notsituation kommt.“

In einer Studie des Karlsruher Instituts für Technologie, des Städtischem Klinikums Karlsruhe und des Universitätsklinikums Tübingen wurde die Langzeittauglichkeit des Sensorgurts getestet. Rund 50 Probanden nahmen daran teil und trugen den Gurt einige Tage bis einige Wochen, im Schnitt etwa 2 Wochen. Die Patienten hatten im Vorfeld eine akute Herzschwäche erlitten und wurden in der Nachbehandlung durch den Sensorgurt kontinuierlich überwacht. Ein Proband wurde sogar 6 Monate am Stück überwacht.

Der Sensorgurt enthält vier neuartige Trockenelektroden. Dadurch lassen sich Hautirritationen vermeiden, der Tragekomfort über Monate gewährleisten und dennoch sehr verlässliche Messdaten erheben. Der Patient kann den Gurt leicht selber anlegen. „Aussehen und Handhabung ähneln den bekannten Pulsmessern für Jogger, nur das sehr viel mehr Daten erfasst werden können“, sagt Malte Kirst vom KIT, einer der Entwickler. Die Messelektronik von der Größe und Gewicht eines kleinen Handys erfasst in einer Woche über ein Gigabyte an Daten. Dann wird die Speicherkarte ausgelesen und der Akku geladen. „Aufbau und Datenauswertung sorgen dafür, dass selbst bei Störungen einzelner Elektroden, etwa durch Körperbewegungen rund 99 Prozent der Zeit ein verwertbares EKG erstellt werden kann“, sagt Kirst, der Teile der Analysesoftware am FZI Forschungszentrum Informatik erstellt hat, bevor er ans KIT wechselte.

Bisherige mobile EKG-Messgeräte benötigen leitfähige Pasten. Die selbstklebenden Elektroden werden von medizinischem Personal punktgenau aufgeklebt. Nach einigen Tagen kommt es oft zu Hautirritationen oder die Paste ist ausgetrocknet. In der Regel werden 24 Stunden, manchmal auch mal 7 Tage Daten aufgezeichnet. Bei Hochrisiko-Patienten können Messgeräte zur Überwachung auch operativ implantiert werden. Der neue Sensorgurt verbindet die Vorteile der beiden Systeme und vermeidet die Nachteile. Dadurch könnte einer größeren Patientenzahl einfach geholfen werden.

Die chronische Herzinsuffizienz ist eine der häufigsten Herz-Kreislauferkrankungen mit etwa 10 Millionen Betroffenen in Europa. Dabei sterben mehr als 40 Prozent der Patienten innerhalb von 5 Jahren nach der Diagnose. Die Krankheit verursacht milliardenschwere Gesundheitskosten durch die Intensivbehandlung der Notfälle und die Nachfolgenden, langwierige Krankenhausaufenthalte. Daher ist es von großem Nutzen für Patienten und Gesundheitssystem, das beginnende Herzversagen (Dekompensation) frühzeitig zu erkennen und zu behandeln. Durch ein kontinuierliches Monitoring wie etwa mit dem Sensorgurt kann man die Dekompensation vorhersagen und rechtzeitig Maßnahmen ergreifen.

Weitere Anwendungsfelder sind die Diagnose von Vorhofflimmern und sogenannten Synkopen, also spontane Ohnmachtsattacken. Die betrifft rund 400.000 Patienten in Deutschland. „Hier benötigt man zuverlässige, langfristige EKG, um das Herz als Ursache eindeutig zu identifizieren oder auszuschließen“, so Stork. Ein vierköpfiges Team arbeitet zurzeit daran, aus dem Prototypen des Sensorgurts ein Medizinprodukt für diese Anwendung zu machen. Das Exist-Programm des Bundeswirtschaftsministeriums unterstützt die Entwicklung mit 500 000 Euro. (kes)

Externer Link: www.kit.edu

Federleicht

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Presseaussendung der TU Wien vom 18.11.2013

Weg mit überflüssigen Kilos: In der Industrie ist Masseeinsparung ein wichtiges Thema. An der TU Wien ersetzt man daher bei der Federherstellung massiven Stahl durch leichte Faserwerkstoffe.

Sie sind in der Armbanduhr und im Autofahrwerk genauso wichtig wie bei Messgeräten oder Raumfahrzeugen: Federn sind allgegenwärtig und werden auf den ersten Blick manchmal als technische Trivialität betrachtet. Zu Unrecht, wie Richard Zemann von der TU Wien weiß. Bei ihrer Herstellung gibt es viel zu verbessern. Sein Team fand einen Weg, kompliziert geformte Federn aus Faser-Kunststoff statt aus Stahl zu erzeugen. Das spart Gewicht und bringt ein hervorragendes Materialverhalten.

Kohlenstoff und Harz

Karbonfasern sind extrem belastbar. Nur einige Mikrometer dick sind die Filamente, die das Forschungsteam von Richard Zemann am Institut für Fertigungstechnik und Hochleistungslasertechnik der TU Wien verwendet, doch ihre Länge kann in die Kilometer gehen. Bündelt man diese dünnen Fasern, erhält man eine leichte aber extrem steife Struktur. Damit die Fasern in Form bleiben, bettet man sie in einer Matrix ein, zum Beispiel in Epoxidharz. „Das Harz selbst nimmt im optimalen Fall keine Kräfte auf, aber es bindet die Kohlenstofffasern aneinander und sorgt so für die nötige Stabilität“, erklärt Richard Zemann.

Dass die Eigenschaften dieser Fasermaterialien für ihren Einsatz bei der Herstellung von Federn sprechen, ist recht offensichtlich: Ihre Dichte ist extrem gering – sie beträgt weniger als ein Viertel der Dichte von Stahl – und gleichzeitig übertreffen Faser-Kunststoff-Verbunde Stahl teilweise in ihrer Steifigkeit.

Trotzdem wurden Faserverbundwerkstoffe bisher nur für vergleichsweise einfache Blattfedern eingesetzt, weil die Herstellungsverfahren für kompliziertere spiralförmige oder schraubenförmige Formen fehlten. Das Team der TU Wien konnte allerdings mit dem Projektpartner, der Federnfabrik Tmej, einen Prozess entwickelt, der die Herstellung aller wichtigen Federgestalten erlaubt. Wie das genau funktioniert, will Richard Zemann derzeit noch nicht verraten. „Wir stellen jedenfalls zuerst einen dicken Draht her, der danach zu einer schraubenförmigen Feder umgeformt werden kann“, sagt er.

100.000 Belastungen und kein bisschen müde

Die Resultate können sich jedenfalls jetzt schon sehen lassen: Erste Spiralfedern konnten 100.000 Belastungszyklen unbeschadet überstehen. „Wir haben den Versuch dann einfach abgebrochen – die Federn zeigten überhaupt keine Ermüdung und hätten sicher noch eine viel größere Zahl von Belastungen ausgehalten“, sagt Richard Zemann.

Der Herstellungsprozess wird nun noch für die Serienanwendung verbessert. Forschungsbedarf gibt es noch hinsichtlich der Harz- bzw. Kunststoffkomponente: Die Kohlenstofffasern halten die oftmalige Belastung zwar problemlos aus, aber die Matrix rundherum könnte irgendwann doch geringfügig ihre Form ändern. An der TU Wien werden derzeit noch Ideen zur Verbesserung der Kunststoffkomponente untersucht.

Die neuartigen Federn sind äußerst korrosions- und chemikalienbeständig. Der entscheidende Vorteil ist allerdings die Gewichtsersparnis. Bei gleicher Steifigkeit reduziert sich die Masse um siebzig bis achtzig Prozent verglichen mit herkömmlichen Stahlfedern. Gerade in der Automobilindustrie ist man sehr auf Gewichtseinsparungen bedacht – eine geringere Masse bedeutet letztlich auch weniger Treibstoffverbrauch. Ganz entscheidend ist das Thema Gewicht natürlich im Luft- und Raumfahrtbereich.

„Zunächst werden sich Karbon-Faser-Verbund-Federn sicher im gehobenen Marktsegment durchsetzen“, prognostiziert Richard Zemann, „doch langfristig soll die neue Technologie auch in Massenprodukten verwendet werden – das ist unser erklärtes Ziel.“ (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at