Archiv der Kategorie: Hochschule

Spielerisch das Interesse am Programmieren wecken

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Pressemeldung der TU Graz vom 31.01.2024

Die TU Graz hat gemeinsam mit dem Sozialdienstleister Jugend am Werk Steiermark einen Workshop und ein Multi-User-Spiel entwickelt, um junge Frauen an das Programmieren heranzuführen. Das Spiel ist jetzt auch frei verfügbar.

Im Rahmen seiner Berufsorientierung für Jugendliche hat der Sozialdienstleister Jugend am Werk Steiermark festgestellt, dass Mädchen und junge Frauen nur wenig Interesse an IT-Berufen haben. Oft wissen sie auch nicht, welche Berufsfelder es gibt und welche Fähigkeiten dafür gebraucht werden. Im von der Sektion für Frauenangelegenheiten und Gleichstellung des Bundeskanzleramts geförderten Projekt FemQuest wurde deswegen gemeinsam mit dem Institute of Interactive Systems and Data Science der TU Graz ein Workshop entwickelt, der mit digitalen und analogen Mitteln einen niederschwelligen Einstieg in das Thema bietet. Laut Befragungen unter den Teilnehmerinnen ist das auch gelungen: Zu den Aspekten Lernen, Design und Engagement gab es größtenteils positive Rückmeldungen, in punkto Komplexität fühlte sich kaum jemand überfordert.

Anstoß für Interesse an IT

„Wir wollen mit FemQuest die Leidenschaft für Informationstechnologie bei Mädchen und jungen Frauen wecken“, erklärt Michael Holly vom Institute of Interactive Systems and Data Science, der das Projekt auf Seite der TU Graz umgesetzt hat. „Wenn die Teilnehmerinnen selbst ein grundlegendes Verständnis von der Semantik einer Programmiersprache erlangen und den Zusammenhang zwischen Input in das Gerät und dem sichtbaren Output auf einem Ausgabemedium erkennen, kann das ein wichtiger Anstoß sein, sich eigenständig mit dem Thema IT zu beschäftigen.“

„Praxisorientierte und innovative Programme wie FemQuest erleichtern jungen Frauen den Einstieg in IT-Berufe“, beschreibt Waltraud Pölzl, Geschäftsbereichsleiterin Ausbildung und Arbeitsmarkt bei Jugend am Werk Steiermark. „Damit bieten wir in der Berufsorientierung theoretisches Wissen und praktische Erfahrungen, und fördern auch wichtige Soft Skills zur Stärkung des Selbstbewusstseins für den Übergang in die Berufswelt.“

Gemeinsam die Grundkenntnisse erspielen

Kernelement des Workshops ist das Multi-User-Spiel FemQuest für Tablets und PC, durch das die Teilnehmerinnen auf spielerischem Weg die Grundzüge des Programmierens kennenlernen. Vor dem Einstieg in das Spiel gibt es einen Theorieteil, bei dem grundlegende Elemente wie Anweisungen oder Schleifen erläutert werden. Im Spiel erstellen sich die Userinnen einen Avatar, mit dem sie in eine Geschichte eintauchen und unterschiedliche Aufgaben lösen müssen. Coding ist dabei nicht nötig, ganz einsteigerfreundlich gilt es Blöcke, die verschiedene Funktionen darstellen, in passender Reihenfolge an passende Positionen zu ziehen, um so eine funktionierende Programmierung zu erstellen. Die Workshop-Leitung ist mit einem Fuchs-Avatar ebenfalls Teil des Spiels und kann Hilfestellungen geben.

Entstanden ist das Spiel gemeinsam mit weiblichen Jugendlichen, die im Zuge der Entwicklung laufend Feedback abgegeben haben. Als Spiele-Engine kam Unity zum Einsatz, die für nichtkommerzielle Zwecke kostenlos verwendet werden kann.

Spiel kostenlos zum Download verfügbar

FemQuest steht nun auf der Website der TU Graz-Forschungsgruppe Gamelab Graz kostenlos zum Download zur Verfügung. Für Android und auf der PC-Plattform Steam soll es ebenfalls kostenlos veröffentlicht werden.

Die Spielgeschichte dreht sich um eine Professorin, die verschiedene Kreaturen erschaffen wollte, wobei aber etwas schiefgegangen ist. Eine dieser Kreaturen, ein boshafter Hase, hat eine Stadt verwüstet. Nun gilt es, den Stadtbewohner*innen beim Wiederaufbau zu helfen, den Hasen zu fangen und ihn mittels eines Gegengifts gutmütig zu machen. Für diese Aufgaben müssen mittels Programmierung etwa Ziegelreihen gelegt oder als Einstieg in die Kryptographie auch einfache Cäsar-Verschlüsselungen gelöst werden, bei denen es notwendig ist, Buchstabenräder um eine bestimmte Buchstabenzahl zu verschieben, um einen Code zu knacken. (Falko Schoklitsch)

Externer Link: www.tugraz.at

Mobilität: Werkzeugkette für komplexe Anwendungen

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 01.02.2024

Forschende des KIT und Partner entwickeln automatisierte Werkzeugkette für die zukünftige Mobilität

Ob für selbstfahrende Autos oder autonome Lufttaxis: Die Entwicklung eingebetteter elektronischer Systeme für die Mobilität der Zukunft setzt komplexe Verarbeitungs- und Anwendungsdienste voraus. Um diese Herausforderung besser bewältigen zu können, haben acht europäische Partner in dem vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordinierten Verbundprojekt XANDAR eine automatisierte Werkzeugkette entwickelt. Neben Echtzeitanforderungen erfüllt diese wichtige Sicherheitsanforderungen. Die automatisierte Werkzeugkette nutzten die Partner zur Entwicklung einer zuverlässigen Sensordatenfusion für den autonomen Straßenverkehr sowie eines Assistenzsystems, das Pilotinnen und Piloten bei der Kollisionsvermeidung unterstützt.

Für die Verkehrs- und Mobilitätswende haben Softwaresysteme einen hohen Stellenwert. Die Anforderungen an solche Systeme werden dabei immer komplexer. „Bei autonomen Fahrzeugen erfolgt die Umfelderkennung durch rechenintensive Algorithmen mit Künstlicher Intelligenz (KI). Zugleich unterstützt eine nahtlose Softwareintegration in großflächige Netzwerke die korrekte Routenumsetzung“, erklärt Professor Jürgen Becker, Leiter des Instituts für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV) des KIT. „In autonomen Fahrzeugen muss außerdem sichergestellt sein, dass unberechtigte Eingriffe von außen nicht zum Abfluss schützenswerter Daten oder zu gefährlichem Fehlverhalten der Systeme führen können.“ Ziel des Projekts war es, den manuellen Entwicklungsaufwand für solche kritischen Anwendungen weiter zu reduzieren, um den Prozess weniger zeitaufwendig, teuer und fehleranfällig zu gestalten.

Modellbasierte Transformation und Systemintegration

Im Projekt XANDAR erarbeiteten die Forschenden Konzepte zum durchgängigen Automatisieren der Entwicklung von kritischen Anwendungen. Dafür griffen sie auf einen neuartigen Ansatz zurück: X-by-Construction (XbC). Hierbei werden angestrebte Systemeigenschaften formal erfasst und durch einen schrittweisen Prozess in eine korrekte, ausführbare Realisierung des Softwaresystems überführt. Dieses Vorgehen ist grundsätzlich auf eine Vielzahl von Aufgaben wie Sicherheits- und Echtzeitanforderungen anwendbar. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT evaluierten die neu entwickelten Ansätze zum Projektende auf Basis aktueller anwendungsspezifischer Anforderungen.

Erfolgreiche Evaluation im Automobil- und Luftfahrtumfeld

„Die Konzepte haben wir anschließend in eine Werkzeugkette integriert, also in eine systematische Sammlung von Programmen, die zur Erzeugung des Softwaresystems miteinander interagieren“, erläutert Tobias Dörr, wissenschaftlicher Mitarbeiter am ITIV. „Darüber hinaus haben wir Mechanismen entwickelt, die auf der Zielhardware zum Einsatz kommen und das zeitliche Zusammenspiel von Softwareapplikationen steuern.“ Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die BMW Group (BMW) haben die Ansätze auf ihre jeweiligen Systeme für die Luftmobilität sowie für den Straßenverkehr angewandt. Unter Verwendung der XbC-Werkzeugkette entwickelten sie ein Assistenzsystem für Pilotinnen und Piloten im Bereich der Kollisionsvermeidung sowie ein Sensorfusionssystem für autonome Straßenfahrzeuge.

Vorteile durch Senkung von Kosten und Risiko

„Mit XANDAR ist eine neue standardisierungsfähige Werkzeugkette für Entwicklerinnen und Entwickler entstanden, die kritische Softwaresysteme für die zukünftige Mobilität sicher mitgestalten kann. Hieraus ergibt sich auch eine Senkung von Risiko und Kosten im Umfeld moderner paralleler Softwaresysteme in der Mobilität“, so Becker. Neben dem KIT, dem DLR und BMW waren an der Entwicklung der Werkzeugkette die University of Peloponnese, die Queen’s University Belfast, AVN Innovative Technology Solutions, Vector Informatik und Fent Innovative Software Solutions beteiligt. Die Europäische Kommission förderte das Projekt in den vergangenen drei Jahren mit rund fünf Millionen Euro. (ase)

Externer Link: www.kit.edu

Atome, die miteinander Pingpong spielen

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Presseaussendung der TU Wien vom 16.01.2024

Eine Art „Quanten-Pingpong“ entwickelte ein Team der TU Wien: Durch eine passende Linse kann man zwei Atome dazu bringen, ein einzelnes Photon hochpräzise hin und her zu spielen.

Atome können Licht aufnehmen und wieder aussenden – das ist ein ganz alltägliches Phänomen. Meistens aber gibt ein Atom ein Lichtteilchen in alle möglichen Richtungen ab, dieses Photon dann wieder einzufangen ist gar nicht so einfach.

An der TU Wien konnte man nun aber rechnerisch zeigen: Durch eine besondere Linse lässt sich erreichen, dass ein einzelnes Photon, das von einem Atom abgegeben wird, von einem zweiten Atom mit praktisch hundertprozentiger Sicherheit wieder absorbiert wird. Dieses zweite Atom nimmt das Photon jedoch nicht nur auf, sondern schießt es gleich zum ersten Atom wieder zurück: Die Atome spielen sich das Photon punktgenau immer wieder gegenseitig zu – wie beim Pingpong.

Wie man eine Welle zähmt

„Wenn ein Atom irgendwo im freien Raum ein Photon aussendet, dann ist die Abstrahlrichtung vollkommen zufällig. Damit ist es praktisch unmöglich, ein anderes entferntes Atom dazu zu bringen, dieses Photon wieder aufzufangen“, sagt Prof. Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Das Photon breitet sich als Welle aus, wodurch niemand sagen kann, in welche Richtung es sich genau bewegt. Es ist somit purer Zufall, ob das Lichtteilchen von einem zweiten Atom wieder absorbiert wird oder nicht.“

Anders sieht die Sache aus, wenn man das Experiment nicht im freien Raum durchführt, sondern in einem abgeschlossenen Bereich. Ähnliches kennt man aus der Akustik, von sogenannten Flüsterräumen: Wenn in einem elliptischen Raum zwei Menschen genau in den Brennpunkten der Ellipse stehen, dann können sie einander perfekt hören. Die eine Person flüstert leise, die Schallwellen werden von der elliptischen Wand exakt so reflektiert, dass sie einander am Aufenthaltsort der zweiten Person treffen – die zweite Person kann das leise Geflüster somit wunderbar hören, auch wenn es sehr leise war.

„Prinzipiell könnte man so etwas auch für Lichtwellen bauen und zwei Atome an den Brennpunkten einer Ellipse positionieren“, sagt Oliver Diekmann, der Erstautor der aktuellen Publikation. „Aber praktisch gesehen müssen die beiden Atome dann ganz präzise an den Brennpunkten positioniert werden.“

Die Maxwell-Fischaugenlinse

Das Forschungsteam ließ sich daher eine bessere Strategie einfallen, die auf das Konzept der Fischaugen-Linse zurückgreift, das von James Clerk Maxwell, dem Begründer der klassischen Elektrodynamik, entwickelt wurde. Dabei handelt es sich um ein Material mit variierendem Brechungsindex. Während sich Licht in einem einheitlichen Medium wie Luft oder Wasser geradlinig fortbewegt, werden Lichtstrahlen in einer Maxwell-Fischaugenlinse gekrümmt.

„Auf diese Weise kann man erreichen, dass alle Strahlen, die von einem Atom ausgehen, auf einem krummen Pfad den Rand erreichen, dort reflektiert werden, und dann auf einem zweiten krummen Pfad zum Zielatom gelangen“, erklärt Oliver Diekmann. In diesem Fall funktioniert der Effekt viel effizienter als in einer simplen Ellipse und auch Abweichungen von der Idealposition der Atome sind möglich.

„Das Licht in dieser Maxwell-Fischaugenlinse hat verschiedene Schwingungsmoden gleichzeitig. Das ist ähnlich wie bei einem Musikinstrument, das zum Schwingen angeregt wird und verschiedene Obertöne gleichzeitig produziert“, sagt Stefan Rotter. „Wir konnten zeigen: Die Kopplung zwischen dem Atom und diesen unterschiedlichen Schwingungsmoden lässt sich auf eine Weise anpassen, dass es mit fast hundert Prozent Wahrscheinlichkeit zu einem Transfer des Photons von einem Atom auf das andere kommt – ganz anders als das im leeren Raum der Fall wäre.“

Wenn das Atom das Photon absorbiert hat, befindet es sich in einem Zustand höherer Energie, bis es dann nach sehr kurzer Zeit das Photon wieder abgibt. Dann beginnt das Spiel von vorne: Die beiden Atome tauschen ihre Rollen, das Photon wird vom Empfänger-Atom zum ursprünglichen Sender-Atom zurückgespielt – und immer so weiter.

Optimale Kontrolle für Quantentechnologien

Vorerst handelt es sich um theoretische Berechnungen, Praxistests sind aber mit bereits bestehender Technologie möglich. „In der Praxis könnte man die Effizienz sogar noch weiter erhöhen, indem man nicht nur zwei Atome verwendet, sondern zwei Gruppen von Atomen“, sagt Stefan Rotter. „Das Konzept könnte ein interessanter Startpunkt für Quantenkontroll-Systeme sein, mit denen man Effekte bei extrem starker Kopplung zwischen Licht und Materie genau studieren kann.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
O. Diekmann, D. Krimer, and S. Rotter: Ultrafast Excitation Exchange in a Maxwell Fish-Eye Lens, Phys. Rev. Lett. 132, 013602 (2024).

Externer Link: www.tuwien.at

Cholera-Erreger machtlos gegen eigenes Immunsystem

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 19.01.2024

Molekulares Abwehrsystem schützt Bakterien vor Viren und macht sie gleichzeitig anfällig für Antibiotika

Auch Bakterien haben ein eigenes Immunsystem, dass sie gegen spezielle Viren – sogenannte Bakteriophagen – schützt. Ein Forschungsteam der Universitäten Tübingen und Würzburg zeigt nun, wie das Immunsystem die Wirkung von bestimmten Antibiotika gegen den Cholera-Erreger Vibrio cholerae verstärkt. Das Immunsystem ist der Grund, warum dieses Bakterium besonders empfindlich auf eine der ältesten bekannten Antibiotikaklassen – die Antifolate – reagiert. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Microbiology veröffentlicht.

Vibrio cholerae ist weltweit für schwere Cholera-Ausbrüche verantwortlich und in vielen Entwicklungsländern endemisch. Das Immunsystem von Vibrio cholerae besteht aus mehreren molekularen Abwehrsystemen, die das Bakterium gegen Angriffe verschiedener Bakteriophagen schützen. Eines dieser Abwehrsysteme heißt CBASS (cyclic-oligonucleotide-based antiphage signaling system). Wird das Bakterium von Bakteriophagen angegriffen, wird CBASS aktiviert. CBASS bringt das infizierte Bakterium dazu, sich selbst zu zerstören und verhindert so eine weitere Infektion der Bakterienpopulation. Das Forschungsteam von Professor Dr. Ana Brochado konnte zeigen, dass Antifolat-Antibiotika das Abwehrsystem CBASS auch in Abwesenheit von Bakteriophagen aktivieren. Das aktivierte CBASS verstärkte somit zusätzlich die Wirkung des Antibiotikums und führte zum Zelltod von Vibrio cholerae. „Wie bei einer Autoimmunerkrankung schadete die eigene Immunantwort dem Bakterium,“ sagt Dr. Susanne Brenzinger, die Erstautorin der Studie.

Das Forschungsteam von Professor Dr. Ana Brochado untersucht die Wirkung von Antibiotika mithilfe von Hochdurchsatz-Screenings und Computeranalysen. Beim Hochdurchsatz-Screening handelt es sich um eine automatisierte Methode, bei der die Wirkung von Tausenden von Substanzen auf Bakterien getestet wird. Diese Methode ermöglichte die Entdeckung der Wechselwirkungen zwischen CBASS und Antibiotika. „Antifolate gehörten zu den ersten Antibiotika auf dem Markt. Sie hemmen die Synthese von Folaten, die Bausteine der DNA sind. Unsere Ergebnisse zeigen, dass wir mehr als neunzig Jahre nach der Einführung der Antifolate immer noch nicht alles über sie wissen. Überraschenderweise ändert das bakterielle Immunsystem ihre Wirkung,“ sagt Professor Brochado, die im Tübinger Exzellenzcluster „Controlling Microbes to Fight Infections“ (CMFI) zur Systembiologie von Antibiotika forscht.

Professor Brochado ergänzt: „Wir können Antibiotika zielgerichteter einsetzen, je mehr wir über ihre Wirkweise wissen. Dies kann uns zukünftig bei der Entscheidung helfen, ob wir sie allein, in Kombination mit anderen Antibiotika oder sogar parallel zu einer Phagen-Therapie einsetzen. Nicht nur bei Cholera, sondern auch bei anderen bakteriellen Infektionen. Der angemessene und effektive Einsatz von Antibiotika hilft dabei, die Entstehung weiterer Antibiotikaresistenzen zu verhindern.“

Originalpublikation:
Brenzinger S, Airoldi M, Ogunleye AJ, Jugovic K, Amstalden MK, Brochado AR. The Vibrio cholerae CBASS phage defence system modulates resistance and killing by antifolate antibiotics. Nat Microbiol 2024 Jan;9(1):251-262.

Externer Link: www.uni-tuebingen.de

Forschende der TU Graz perfektionieren 3D-Druck optisch aktiver Nanostrukturen

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Presseaussendung der TU Graz vom 17.01.2024

Form, Größe und optische Eigenschaften von 3-dimensionalen Nanostrukturen lassen sich nun vorab simulieren, bevor diese hochpräzise auf verschiedensten Oberflächen direkt hergestellt werden können.

Seit etwa 20 Jahren ist es möglich, Oberflächen so mit Nanopartikeln zu versehen, dass sie auf eine gewünschte Weise Licht konzentrieren, manipulieren oder eine Reaktion auslösen. Zu finden sind solche optisch aktiven Nanostrukturen etwa in Solarzellen und biologischen oder chemischen Sensoren. Um deren Einsatzbereich zu erweitern, arbeiten Forschende am Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz und am Zentrum für Elektronenmikroskopie (ZFE) seit über zehn Jahren daran, nicht nur flache Nanostrukturen, sondern auch komplexe, freistehende 3D-Architekturen herzustellen. Dem Team um Harald Plank, Verena Reisecker und David Kuhness sind nun zwei Durchbrüche gelungen. So können sie die gewünschten optischen Eigenschaften sowie die dazu nötige Form und Größe der Nanostrukturen vorab exakt simulieren und diese auf Basis der Simulation präzise herstellen. Außerdem sind sie in der Lage, chemische Verunreinigungen zu beseitigen, die bei der Herstellung entstehen, ohne dabei die 3D-Nanoarchitekturen zu beeinträchtigen.

Trial-and-Error-Verfahren wird überflüssig

Bislang war bei dreidimensionalen Nanostrukturen ein langwieriges Trial-and-Error-Verfahren nötig, bis das Produkt die gewünschten optischen Eigenschaften hatte. Dieser Aufwand fällt nun endlich weg. „Die Übereinstimmung unserer Simulationen mit den realen plasmonischen Resonanzen unterschiedlichster Nanoarchitekturen ist sehr hoch“, erläutert Harald Plank. „Das bedeutet einen Riesenschritt nach vorn. Die harte Arbeit der letzten Jahre hat sich bezahlt gemacht.“ Die Technologie ist gegenwärtig die weltweit einzige, durch die komplexe 3-dimensionale Strukturen mit Form-Elementen kleiner als zehn Nanometer direkt und kontrolliert auf nahezu jeder Oberfläche hergestellt werden können. Zum Vergleich: Die kleinsten Viren sind 20 Nanometer groß. „Die größte Herausforderung der letzten Jahre war die Überführung der 3D-Architekturen in hochreine Materialien, ohne die Morphologie zu zerstören“, beschreibt Harald Plank. „Dieser Entwicklungssprung ermöglicht durch den 3D-Aspekt neue optische Effekte und Anwendungskonzepte.“ Sonden oder optische Pinzetten mit Größen im Nanometerbereich rücken dadurch in greifbare Nähe.

Präzise gesteuerter Elektronenstrahl

Zur Herstellung der Nanostrukturen nutzen die Forschenden die fokussierte Elektronenstrahlabscheidung (Focused Electron Beam Induced Deposition). Dabei wird die relevante Oberfläche unter Vakuumbedingungen mit speziellen Gasen belegt. Ein fein fokussierter Elektronenstrahl spaltet die Gasmoleküle, woraufhin Teile dieser in einen festen Zustand übergehen und an gewünschter Stelle haften bleiben. „Durch präzise Steuerung von Strahlverschiebung und Belichtungszeit gelingt es uns in einem einzigen Schritt, komplexe Nanostrukturen mit gitter- oder flächenartigen Strukturelementen herzustellen“, erläutert Harald Plank. Durch Aufeinanderschichten dieser Nanovolumen lassen sich daraus schließlich dreidimensionale Strukturen konstruieren. (Philipp Jarke)

Externer Link: www.tugraz.at