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AviCoS ersetzt das Handbuch im Auto

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Pressemitteilung der TU München vom 04.08.2011

Virtueller Assistent unterstützt Autofahrer

Aufblinkende Warnleuchten oder unbekannte Bedienelemente können einen Autofahrer beunruhigen. Mit dem Avatar-based Virtual Co-driver System (AviCoS) werden zukünftig Autofahrer unmittelbar informiert und das umständliche Nachschlagen im Benutzerhandbuch entfällt. Durch die Berührung der Bedienelemente und über eine natürlichsprachliche Schnittstelle reagiert das System: Ein virtueller Assistent, der Avatar, gibt spezifische Informationen rund um das Fahrzeug – unterstützt von Bildern und Videos. Entwickelt wurde das System vom Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik der TU München in Zusammenarbeit mit der Audi AG.

Der Avatar wird in der serienmäßig verfügbaren Bildschirmanzeige des Audi Multimedia Interface dargestellt. Die virtuelle Figur versteht vollständige Sätze. Mit Hilfe von künstlicher Intelligenz interpretiert AviCoS die Frage des Autoinsassen und kann gleichzeitig mittels gesprochener Sprache antworten. Zusätzlich werden Bilder und Videos eingeblendet und der Avatar deutet während der Erklärung jeweils auf die relevanten Stellen im Bild.

Eine weitere Möglichkeit – neben der Sprache – mit dem AviCoS in Kontakt zu treten, ist der Touch&Tell-Modus: Kennt der Fahrer ein spezielles Bedienelement am Armaturenbrett nicht, berührt er es und der Avatar gibt ihm dazu Hintergrundinformationen. „Dadurch kann spielerisch und schnell das Wissen über Bedienelemente im Fahrzeug vermittelt werden. Das kann gerade in einem unbekannten Fahrzeug sehr hilfreich sein“, sagt Professor Helmut Krcmar, Inhaber des Lehrstuhls für Wirtschaftsinformatik der TU München.

Bei hohem Tempo

AviCoS ist auch während der Fahrt nutzbar. Um den Fahrer nicht vom Verkehr abzulenken, werden mit steigender Geschwindigkeit zunächst die Animationen und dann alle grafischen Ausgaben automatisch abgeschaltet. Die sprachbasierte Kommunikation mit dem Avatar steht dagegen immer zur Verfügung.

Die im Rahmen des Forschungsprojektes durchgeführten Untersuchungen belegen die Vorteile von AviCoS: Im Vergleich zum Nachschlagen im Handbuch finden Autofahrer Informationen mit AviCoS schneller und zielsicherer. Zudem macht die Nutzung von AviCoS mehr Spaß. „Insgesamt bietet AviCoS einen bequemen und interaktiven Zugriff auf multimedial aufbereitete Inhalte, die weit über den Informationsgehalt des gedruckten Benutzerhandbuchs hinausgehen. Ohne Lernaufwand kann das System genutzt werden und erlaubt so einen sehr schnellen Einstieg in die Bedienung eines Fahrzeugs“, so Dr. Michael Schermann, Leiter der Forschungsgruppe Automotive Services am Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik.

Sprache als Befindlichkeitsmesser

Die natürlichsprachliche Interaktion zwischen Fahrer und Fahrzeug wird in Zukunft ausgebaut. Die Vision: Das System erkennt die Befindlichkeit des Fahrers und passt sich entsprechend an. Bemerkt AviCoS aufgrund des Tonfalls und des Sprechrhythmus, dass der Fahrer in der aktuellen Fahrsituation überfordert und deshalb gestresst ist, reduziert das System schrittweise den Umfang der multimodalen Ausgabe und zeigt beispielsweise im ersten Schritt keine Animationen mehr an. Weitere Systeme im Auto wie das Navigationsgerät könnten ebenfalls einbezogen werden, indem es frühzeitiger und häufiger auf die Fahrtrichtung hinweist.

AViCoS wurde in einem dreijährigen Forschungsprojekt entwickelt. Beteiligt waren die Fachabteilung für Prozess- und Systemintegration Elektrik/Elektronik der Audi AG und der Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik der TU München. Die Forscher arbeiteten an dem regionalen Kompetenzzentrum der Technischen Universität München INI.TUM. Diese Außenstelle der TU München mit Sitz in Ingolstadt steht in enger Kooperation mit der Audi AG, um Wissenschaft und Wirtschaft stärker zu verknüpfen.

Publikation:
Die Ergebnisse wurden in der Audi Dissertationsreihe Band 20 unter dem Titel „Gestaltung avatarbasierter, natürlichsprachlicher Hilfesysteme für den Einsatz in Fahrzeugen“ von Dr. Valentin Nicolescu veröffentlicht.

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Weiche Kristalle fließen anders

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Presseaussendung der TU Wien vom 08.08.2011

Eine Flüssigkeit muss kein ungeordnetes Gewirr von Teilchen sein: Ein Forschungsteam der Technischen Universität (TU) Wien und der Universität Wien entdeckt neuartige Strukturen aus winzigen Teilchen, die in Flüssigkeiten schweben. Teilchen-Cluster in Flüssigkeiten können unter mechanischer Belastung Stränge ausbilden und dadurch ihre Fließeigenschaften dramatisch ändern.

Was haben Blut, Tinte und Mehlsuppe gemeinsam? Sie alle sind Flüssigkeiten, in denen winzige Teilchen schweben – sogenannte „Kolloide“. In manchen dieser Flüssigkeiten finden sich die Teilchen zu Gruppen zusammen, die sich dann ganz von selbst regelmäßig anordnen, wie Atome in einem Kristall. Einer Forschungsgruppe der TU Wien und der Universität Wien gelang es nun, durch Computersimulationen erstaunliche Eigenschaften dieser kristallartigen Substanzen zu ergründen. Unter mechanischer Belastung kann sich die kristalline Ordnung in eine andere Struktur umwandeln oder sich komplett auflösen. Das Forschungsteam sieht ein breites technisches Anwendungsspektrum für diese Effekte. Die Ergebnisse der Berechnungen wurden nun im angesehenen Fachjournal „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Geordnete Struktur in Flüssigkeit

Lagern sich winzige Teilchen aneinander an, bezeichnet man sie als Cluster. Die Teilchen innerhalb eines Clusters können sich überlappen und durchdringen, ähnlich wie ein dichter Schwarm von Aalen, die eng verschlungen aneinander vorbeigleiten. Das Bemerkenswerte daran ist, dass sich diese Cluster nicht einfach an zufälligen Orten aufhalten, sondern ganz von selbst eine regelmäßige Struktur ausbilden – sogenannte „weiche Kristalle“. Der Abstand von einem Cluster unter bestimmten äußeren Bedingungen zum nächsten ist immer gleich. „Erhöht man die Teilchendichte, bekommt zwar jeder Cluster eine immer größere Anzahl von Teilchen ab, doch der Abstand zwischen den Clustern bleibt unverändert“, erklärt Arash Nikoubashman, Doktorand an der TU Wien. Er führte die Berechnungen im Rahmen seiner Dissertation mit Professor Gerhard Kahl am Institut für Theoretische Physik der TU Wien und mit Professor Christos Likos von der Universität Wien durch. Diese gemeinsamen wissenschaftlichen Arbeiten werden im Rahmen des von der EU finanzierten „Initial Training Networks“ COMPLOIDS realisiert.

Vom Kristallgitter zu langen Fäden

„Wir hatten schon aufgrund unserer früheren Ergebnisse die Vermutung, dass die Partikel unter äußeren Einflüssen unerwartete Eigenschaften zeigen können“, erzählen die Physiker – und die Hoffnungen des Forschungsteams wurden nicht enttäuscht: Am Computer konnte berechnet werden, wie sich die kristallartige Struktur unter einer mechanischen Belastung verhält, die eine Scherspannung bewirkt -also die Flächen innerhalb der Flüssigkeit gegeneinander verschiebt. Zunächst beginnt die Kristallstruktur zu schmelzen – die Bindungen zwischen den Clustern werden gebrochen. Aus diesen „abgeschmolzenen“ Teilchenclustern bildet sich dann aber spontan eine neue Ordnung: Lange, gerade Teilchenstränge entstehen, die sauber parallel zueinander angeordnet sind.

Von dünnflüssig zu dickflüssig

Während sich diese Stränge bilden wird die Substanz immer dünnflüssiger – ihre Zähigkeit (die Viskosität) nimmt ab. Das liegt daran, dass sich die parallelen Stränge relativ leicht gegeneinander verschieben können. Belastet man das Material dann noch stärker, brechen allerdings auch diese Stränge auseinander, es entsteht eine „geschmolzene“, also ungeordnete Ansammlung von Teilchenclustern – und die Zähigkeit der Substanz nimmt wieder zu: Immer mehr Teilchen werden aus ihren ursprünglichen Positionen gespült und bremsen so den Flüssigkeitsstrom ab. Dieses Verhalten gilt universell für alle Cluster-Kristalle, und mit einfachen theoretischen Überlegungen kann man die kritische Belastung, bei der die geordnete Struktur komplett geschmolzen ist, sehr genau vorhersagen.

Kristalle aus weichen, durchdringbaren Teilchen können unter Scher-Beanspruchung ganz neue Szenarien der Selbstorganisation aufzeigen. Geometrische Strukturen ergeben sich einfach durch die Art der Kräfte, die zwischen den Teilchen wirken. Diese Forschung an „weicher Materie“ im Nano- und Mikrometerbereich ist nicht nur für die Grundlagenforschung interessant, Materialien dieser Art spielen auch im Alltag eine wichtige Rolle. Zu ihnen zählen Blut oder große Biopolymere wie etwa DNA-Moleküle. Sie spielen in der Biotechnologie, aber auch in der Erdöl- und Pharmaindustrie eine wichtige Rolle – und überall dort, wo maßgeschneiderte Nanomaterialien benötigt werden. Eine Flüssigkeit, die unter äußeren Kräften ihre Zähigkeit ändert verspricht jedenfalls ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten – von Stoßdämpfern über Flusssensoren bis hin zu Schutzkleidung. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Arash Nikoubashman, Gerhard Kahl, and Christos N. Likos, Cluster Crystals under Shear, Phys. Rev. Lett. 107, 068302 (2011).

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Wenn Chemiker Eintopf kochen

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Presseinformation der LMU München vom 01.08.2011

Der einfache Weg zur Suzuki-Reaktion

Kohlenstoff ist das zentrale Element der Organischen Chemie – wie auch ein Grundbestandteil aller Lebewesen. Die sogenannte Suzuki-Reaktion generiert auf sehr einfachem Wege Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen als Ausgangspunkt für die Synthese einer fast unendlichen Zahl organischer Moleküle. Ein Forscherteam um den LMU-Chemiker Professor Paul Knochel hat nun eine praktische und generelle Synthesemethode für die entscheidenden Bausteine der Suzuki-Reaktion entwickelt. „Die neue Methode ist sehr breit für unterschiedliche Verbindungen einsetzbar und produziert sehr wenig Abfall“, sagt Knochel. „Sie könnte also sehr interessant für die Industrie sein, die schon jetzt häufig Suzuki-Reaktionen einsetzt, unter anderem für die Entwicklung von medizinischen Wirkstoffen und neuen Materialen wie etwa Flüssigkristalle für Displays.“ (Angewandte Chemie International Edition, 01.  August 2011)

Die Suzuki-Reaktion – oder Palladium-katalysierte Kreuzkupplung von Organobor- mit Organohalogenverbindungen – erlaubt, Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen auf einfachem Wege zu generieren. Daraus wiederum kann dann eine fast unendliche Anzahl verschiedener organischer Moleküle synthetisiert werden. Die Suzuki-Reaktion ist der Grundstein für die Entwicklung neuer medizinischer Wirkstoffe und revolutionärer Materialen. Ihrem Erfinder Akira Suzuki brachte sie 2010 den Nobelpreis für Chemie ein.

Knochel und sein Team suchten nach einer Weiterentwicklung durch die einfache, billige und allgemeingültige Synthese von neuen Bor-Verbindungen, um diese ohne vorherige Aufreinigung in Suzuki-Reaktionen einsetzen zu können. „Uns ist es gelungen, die Synthese so zu optimieren, dass die Reaktion als ‚Eintopfsynthese‘ abläuft“, sagt Christoph Sämann, der maßgeblich zur Studie beigetragen hat. „Diese Methode hat sich als sehr mild erwiesen, wobei sie viele funktionelle Gruppen toleriert und damit breit für unterschiedliche Verbindungen eingesetzt werden kann.“

Im Unterschied zu herkömmlichen Bor-Verbindungen sind hier zwei zu übertragende organische Reste am Bor vorhanden, die dann ohne Ausbeuteverlust in der Suzuki-Reaktion übertragen werden können. „Das wiederum steigert die Atomökonomie deutlich“, so Knochel. „Es fällt also weniger Abfall an, was vor allem für die Industrie von großer Bedeutung ist.“ (suwe)

Publikation:
„Practical One-pot Preparation of Magnesium Diaryl-, Diheteroaryl- and Dialkenyl-boronates for Suzuki-Miyaura Cross-Couplings“;
Benjamin A. Haag, Christoph Sämann, Anukul Jana, Paul Knochel;
Angewandte Chemie, International Edition, 01.  August 2011.

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Intelligente Äste von Nervenzellen: Informatiker entdecken neuen Lerneffekt bei Neuronen

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Pressemitteilung der TU Graz vom 27.07.2011

In einem EU-weiten Projekt erforschen Informatiker der TU Graz die grundlegenden Lernmechanismen von Neuronen (Nervenzellen) im Gehirn. Im Rahmen ihrer Untersuchungen haben sie nun einen neuen Lerneffekt entdeckt: Computersimulationen haben ergeben, dass sich die feinen Äste von sogenannten Dendritenbäumen selbstständig auf wiederkehrende Muster spezialisieren können – somit wird die Lernfähigkeit eines Neurons beträchtlich erhöht. Dieses Forschungsergebnis publizierten die Wissenschaftler am Institut für Grundlagen der Informationsverarbeitung (IGI) der TU Graz in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachjournals „Journal of Neuroscience“.

Das menschliche Gehirn besteht aus einem Netzwerk von mehreren Milliarden Nervenzellen. Verbunden sind diese durch eigene Kontaktstellen, die Synapsen. TU Graz Informatiker beschäftigen sich schon seit mehreren Jahren mit der Frage, wie Informationen an den Synapsen weitergegeben werden.

Dendritenbaum

„Wie sich der Stamm eines Baumes in Äste aufteilt, besitzen auch Neuronen einen Dendritenbaum, der sich immer feiner verzweigt. Während aber ein Baum mit den Blättern auf seinen Ästen Sonnenlicht sammelt, sammeln diese Nervenzellen Informationen an den Synapsen. Diese treffen dort in Form von elektrischen Impulsen ein“, erklärt Robert Legenstein, der das Projekt gemeinsam mit IGI-Leiter Wolfgang Maass betreibt. Im Zuge des dreijährigen EU-Projektes „Brain-i-Nets“ (Novel Brain Inspired Learning Paradigms for Large-Scale Neuronal Networks) erforschen die TU Graz Informatiker gemeinsam mit Neurowissenschaftlern und Physikern Rechenprinzipien und Lernmechanismen im Gehirn – in Computer Simulationen konnten sie nun dies neue Phänomen beobachten.

Wiederkehrende Muster

„Unsere theoretischen Untersuchungen und Simulationen haben ergeben, dass diese Äste aus der großen Menge an Impulsen nach immer wiederkehrenden Mustern suchen. Genauer gesagt, jeder Ast versucht sich auf solch ein wiederkehrendes Muster zu spezialisieren, und dann jedes Wiederauftreten von diesem Muster dem Zellkörper durch einen Impuls zu melden“, so Maass. Dadurch strukturieren und filtern sie den hereinkommenden Inputstrom auf intelligente Weise – der Effekt: Die Rechenfähigkeit des Neurons wird erhöht. Somit erfüllen diese Äste eine zusätzliche Rolle bei der Informationsweitergabe im Gehirn.

Diese neuesten Ergebnisse publizierten die beiden Wissenschaftler nun in einem Artikel im international renommierten „Journal of Neuroscience“, das eines der führenden Fachzeitschriften auf dem Gebiet der Neurowissenschaften ist.

Originalarbeit:
Branch-Specific Plasticity Enables Self-Organization of Nonlinear Computation in Single Neurons. R. Legenstein, W. Maass. Publiziert in „The Journal of Neuroscience“ am 27. Juli 2011.

Externer Link: www.tugraz.at

RNA ohne Enzymhilfe effizient abgelesen

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Pressemitteilung der Universität Stuttgart vom 20.07.2011

Stuttgarter Chemiker dem Ursprung des Lebens auf der Spur

Nach der RNA-Welt-Hypothese geht das Leben auf der Erde von Ribonukleinsäuren (RNA) aus. Sie übertragen in der Zelle genetische Informationen und können biochemische Reaktionen katalysieren. Das fehlende Puzzlestück bisher: Wie konnte die RNA vor Milliarden von Jahren ohne die Mithilfe von damals noch nicht vorhandenen Enzymen eine Kopie ihrer selbst herstellen, um die genetische Information weiterzugeben? Eine Lücke in der RNA-Welt-Theorie von der Entstehung des Lebens hat die Arbeitsgruppe um Prof. Clemens Richert vom Institut für Organische Chemie der Universität Stuttgart nun geschlossen, wie in der renommierten Fachzeitschrift Nature Chemistry kürzlich berichtet wurde (Online-Vorabbericht). Die Wissenschaftler konnten nachweisen, dass die RNA auch ohne Enzyme effizient abgelesen werden kann, wenn sie auf Oberflächen festgehalten wird.

Bei ihren Experimenten versuchten die Chemiker Christopher Deck, Mario Jauker und Clemens Richert die Reaktionen in einer frühen Phase der Evolution nachzuspielen, in der noch keine Zellen existiert haben. Kurze RNA-Stränge, die durch Polymerisationsvorgänge auf Mineraloberflächen hätten entstanden sein können, banden die Stuttgarter Wissenschaftler an magnetische Eisenodix-Partikel. Die festgehaltenen Stränge umspülten sie täglich mit einer frischen Lösung, in der die RNA-Bausteine für die Verlängerung eines kurzen Gegenstranges – quasi die Buchstaben des genetischen Alphabets – schwammen. Die Ausbeute an neu eingelagerten „Buchstaben“ des Gegenstranges war selbst dann noch hoch, wenn ein „Buchstabe“ eingebaut werden musste, der ohne Enzymhilfe nur schwach an die RNA-Matrize bindet.

Bisher hatten Wissenschaftler stets beobachtet, dass die enzymfrei ablaufenden Reaktionen für natürliche RNA irgendwann zum Erliegen kommen. Prof. Richert und sein Team konnten dieses Phänomen ebenfalls registrieren, wenn die RNA-Stränge nicht an eine Oberfläche gebunden waren, sondern mit den RNA-Bausteinen frei in der Lösung schwammen. Der Grund: die einzelnen Bausteine zerfallen langsam und die Zersetzungsprodukte blockieren zunehmend die Ablesereaktion.

Die jetzt veröffentlichten Experimente fanden zwar nur an Sequenzen statt, die keine Gene darstellen, sie stützen aber die Hypothese von der RNA als Urbaustein bei der Entstehung des Lebens. Zukünftig will Richert mit seiner Arbeitsgruppe längere RNA-Sequenzen studieren und noch mehr Einzelschritte in der Entstehung doppelsträngiger RNA in einem einzigen Experiment anstoßen. Beispielsweise könnten Oberflächen aus Tonmineralien sich besser eignen, den als Matrize dienenden RNA-Strang nicht nur entstehen, sondern später auch ablesen zu lassen.

Veröffentlichung:
Christopher Deck, Mario Jauker und Clemens Richert (2011): Efficient enzyme-free copying of all four nucleobases templated by immobilized RNA. Nature Chemistry, DOI: 10.1038/NCHEM.1086.

Externer Link: www.uni-stuttgart.de