Extrem empfindliche Sensoren sorgen für optimale Sicht

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 04.10.2016

Die Automobilbranche forscht mit Hochdruck an Technologien für automatisiertes Fahren. Ein neues Sensor-System von Fraunhofer-Forschern soll für mehr Sicherheit sorgen.

Es war eine der Schlagzeilen dieses Sommers: Erstmals hat es einen schweren Unfall mit einem selbstfahrenden Elektroauto gegeben. Ein Fahrzeug kollidierte bei eingeschalteter Autopilotfunktion mit einem Lkw. Laut Hersteller konnten die Frontkameras den Sattelzug nicht richtig erkennen. Zudem hatte eine falsche Radarmessung die Vollbremsung verhindert. »Die Genauigkeit der Kamera ist von der jeweiligen Lichtsituation abhängig. In diesem Fall hat sie versagt. Das Radarsystem hat das Hindernis zwar erkannt, konnte es aber nicht genau lokalisieren und verwechselte den Lkw mit einem Wegweiserschild«, sagt Werner Brockherde, Geschäftsfeldleiter »CMOS Image Sensors« am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg. Der Forscher und sein Team setzen stattdessen auf die LiDAR-Technologie (Light Detection and Ranging), die sie weiterentwickelt haben. Sie schafft in Kombination mit anderen Komponenten die Voraussetzung für das selbstständige Lenken, Bremsen und Beschleunigen. »LiDAR hätte die Unfälle wahrscheinlich verhindern können«, so Brockherde. Beim automatisierten Fahren könnte das System die bisher genutzte Kamera- und Radartechnik ergänzen, um eine komplette Aufnahme des Fahrzeugumfelds zu erhalten und so Hindernisse im Verkehr zu erkennen.

LiDAR-Systeme senden gepulste Laserstrahlen, die an der Oberfläche von Objekten reflektiert werden. Mit sogenannten Time-of-Flight-Kameras empfängt das LiDAR-Gerät die zurückgestreuten Signale: Anhand der Laufzeit, die das Licht zu den Objekten und zurück benötigt, werden Abstand, Position und Geschwindigkeit von Fahrzeugen, Radfahrern, Passanten oder Baustellen errechnet. Mit diesen Daten lassen sich Kollisionen vermeiden.

Lichtblitz erfasst komplette Szenerie

Beim traditionellen LiDAR wird ein einziger Laserstrahl auf einen rotierenden Spiegel gelenkt, der so die Umgebung im 360-Grad-Winkel erfasst. Beispielsweise verwendet Google die Technologie für seine »Driverless Cars«. Allerdings sind diese Spiegelvarianten sehr klobig und mechanisch fehleranfällig, daher entscheiden sich viele Automobilhersteller gegen das System und verbauen es nicht in Fahrzeugen. Brockherde und seine Kollegen am IMS verwenden daher sehr empfindliche Sensoren, die ohne rotierenden Spiegel auskommen. Diese erfassen mit einem einzigen Laserblitz die gesamte Szenerie beziehungsweise Umgebung des Fahrzeugs. »Flash-LiDAR« bezeichnen die Forscher ihre neue Generation von Sensoren, die aus mehreren speziellen am IMS entwickelten Photodioden – sogenannten Single-Photon Avalanche-Dioden (SPADs) – bestehen. »In unserem Fall wird nicht nur ein Punkt beleuchtet wie beim klassischen LiDAR, sondern ein rechteckiges Messfeld«, erläutert Brockherde.

Die SPADs sind hundert Mal empfindlicher als beispielsweise in Smartphones integrierte Photodioden. Der Vorteil gegenüber dem klassischen LiDAR-System: Sowohl Sensor als auch Auswertelektronik sind auf nur einem Chip verbaut. Dadurch fällt die Entwicklung besonders klein und flach aus. Automobilhersteller können sie daher problemlos etwa hinter der Windschutzscheibe oder dem Scheinwerfer verbauen. Ziel der IMS-Forscher ist es, mit Flash-LiDAR eine Entfernung von bis zu 100 Metern abzudecken.

»Die ersten Systeme mit unseren Sensoren werden bereits 2018 in Serie gehen«, sagt der Forscher. Auch für andere Anwendungsfelder wie Medizin, Analytik oder Mikroskopie sind die empfindlichen Sensoren interessant, da sie auch bei schwachen Lichtintensitäten funktionieren.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Neue Implantate für die Wundheilung

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Pressemitteilung der Hochschule Coburg vom 22.09.2016

Was geschieht während der Heilung eines Knochenbruchs? Prof. Dr. Stefan Kalkhof von der Hochschule Coburg erforscht diesen Prozess. Er hat nun in Kooperation mit der Universität Leipzig und der Technischen Universität Dresden eine Analysemethode für den Wundbereich entwickelt.

Die Zahl der Knochenbrüche mit kompliziertem Heilungsverlauf ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Ein Team aus Materialwissenschaftlern, Biologen, Biochemikern, Chemikern, Medizinern, Bioanalytikern und Informatikern erforscht Möglichkeiten, Knochen- und Hautverletzungen besser zu heilen. Prof. Kalkhof arbeitet mit ihnen im Sonderforschungsgebiet 67 „Funktionelle Biomaterialien zur Steuerung von Heilungsprozessen in Knochen- und Hautgewebe – vom Material zur Klinik“ der Universität Leipzig und der Technischen Universität Dresden zusammen. Insgesamt zwanzig Arbeitsgruppen hat das Sonderforschungsgebiet, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird. Ziel ist die Entwicklung neuer Implantate, die Entzündungen vorbeugen und die Heilung aktiv unterstützen.

Prof. Kalkhof erforscht in seinem Teilprojekt die molekularen Prozesse, die im Wundbereich ablaufen. Gemeinsam mit Prof. Dr. Martin von Bergen vom Helmholtz-Institut für Umweltforschung und Prof. Dr. Stefan Rammelt vom Universitätsklinikum Dresden analysiert er behandelte Knochenbrüche. Mit einer minimal-invasiven Mikrodialyse entnehmen sie Proteine und Aminosäuren direkt aus der Wundflüssigkeit. Dafür verwenden sie einen kleinen Katheter, deren Kanüle nur die Größe einer kleinen Blutkapillare hat.

Die Proben werden im Zeitverlauf der Heilung, meist in den ersten zwei Tagen, entnommen. Sie zeigen, wie sich die Zusammensetzung von Metaboliten und Proteinen während der Heilung verändert und welche Entzündungsmarker aktiv sind. Prof. Kalkhof und Prof. von Bergen konnten mit ihrem Team 400 Proteine, Aminosäuren und Lipide aus dem Wundbereich isolieren und mittels Massenspektrometrie quantifizieren. Erprobt wurde dies durch Versuche an Ratten und Schweinen im Labor des Universitätsklinikums Dresden.

„Die Erkenntnisse helfen, passende Implantate zu entwickeln, die den Heilungsprozess aktiv fördern“ sagt Prof. Kalkhof. Die Forscher haben nun ein besseres Verständnis der Prozesse, die im Wundbereich ablaufen, und können die Implantate entsprechend optimieren. Im Fokus steht dabei, das Risiko für Entzündungen und Abstoßungsreaktionen zu verringern.

Die Ergebnisse wurden in den internationalen Journalen Biomed Research International und PLOS One publiziert. (Mareike de Raaf)

Externer Link: www.hs-coburg.de

Quantenboost für künstliche Intelligenz

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Medieninformation der Universität Innsbruck vom 26.09.2016

Intelligente Maschinen, die selbständig lernen, gelten als Zukunftstrend. Forscher der Universität Innsbruck und des Joint Quantum Institute in Maryland, USA, loten nun in der Fachzeitschrift Physical Review Letters aus, wie Quantentechnologien dabei helfen können, die Methoden des maschinellen Lernens weiter zu verbessern.

In selbstfahrenden Autos, IBM’s Watson oder Google’s AlphaGo sind Computerprogramme am Werk, die aus Erfahrungen lernen können. Solche Maschinen werden im Zuge der Digitalisierung in vielen Lebensbereichen Einzug halten. Bei der Erforschung von Methoden der künstlichen Intelligenz steht besonders der Ansatz des bestärkenden Lernens im Mittelpunkt. Dabei bewegen sich Agenten in einer Umgebung und reagieren auf Belohnungen und Bestrafungen. Sie erlernen selbständig eine Strategie, um die erhaltenen Belohnungen zu maximieren. Für Agenten und Umgebungen, die den Gesetzen der Quantenphysik gehorchen, wurde dieses Modell bisher kaum untersucht. In diese Lücke stoßen nun Vedran Dunjko und Hans Briegel vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck sowie Jacob M. Taylor vom Joint Quantum Institute in Maryland, USA, vor. Sie legen in der Fachzeitschrift Physical Review Letters eine umfassende Analyse von Methoden des maschinellen Lernens unter Quantenbedingungen vor.

Lernen in der Quantenwelt

Die Frage, wie Quantencomputer die Leistung von lernenden Computern verbessern können, wurde bisher vor allem im Kontext sehr spezieller Fragestellungen diskutiert, so zum Beispiel zur Beschleunigung von Bilderkennungsprogrammen. „Wir haben einen breiteren Ansatz gewählt und untersucht, wie Methoden des maschinellen Lernens mit Hilfe von quantenphysikalischen Konzepten verbessert werden können“, erklärt Vedran Dunjko. „Dabei haben wir theoretisch analysiert, welche Ergebnisse sich erzielen lassen, wenn Agent und Umwelt quantenphysikalischen Gesetzen unterliegen, also zum Beispiel miteinander verschränkt sind.“ Die Forscher übersetzen das Konzept des bestärkenden Lernens in die Quantenwelt und klären dabei schwierige Fragen, etwa was es heißt, wenn Quantenagenten mit der Umwelt interagieren oder wie die Geschichte dieser Interaktionen in der Quantenwelt sinnvoll beschrieben werden kann. „Wir konnten auch zeigen, wie Standardalgorithmen der Quanteninformationsverarbeitung Agenten dabei helfen können, schneller in einer Umgebung zu lernen, in der ein glücklicher Zug zu Beginn am Ende einen großen Unterschied machen kann, zum Beispiel wenn es darum geht zu lernen, wie man am besten durch ein Labyrinth navigiert“, erläutert Vedran Dunjko.

Einblick in das Weltgefüge?

In Zukunft wollen die Forscher zum Beispiel untersuchen, ob ein Quantencomputer mit Hilfe eines Quantenagenten schneller seine Umwelt erkennen kann, um durch Störungen verursachte Rechenfehler rechtzeitig zu korrigieren. Die Arbeit der Physiker könnte aber auch eine neues Licht auf die Frage werfen, wie unsere klassische Alltagswelt aus Wechselwirkungen entstehen kann, die auf mikroskopischer Ebene den Gesetzen der Quantenphysik gehorchen. „Das Verständnis darüber, wie lernende Quantenagenten mit einer Quantenumwelt interagieren, könnte neue Einsichten in diese sehr grundlegende Frage liefern“, ist auch der Leiter der Arbeitsgruppe, Hans Briegel, überzeugt.

Finanziell unterstützt werden die Arbeiten der Theoretiker unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Templeton World Charity Foundation.

Publikation:
Quantum-Enhanced Machine Learning. Vedran Dunjko, Jacob M. Taylor, Hans J. Briegel. Phys. Rev. Lett. 117, 130501 (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.130501

Externer Link: www.uibk.ac.at

Forschen am Bau

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 22.09.2016

Das Arch_Tec_Lab zeigt auf, wie die Digitalisierung zu einer ressourcenschonenden, emissionsfreien und verdichteten Bauweise beitragen kann. Sechs Professuren der ETH Zürich haben ihre Forschungsansätze gebündelt und das neuartige Gebäude gemeinsam als Prototyp entwickelt.

Sechs Jahre dauerte der weitgehend digitale Planungs- und Bauprozess, an dem Architekten, Bauingenieurinnen, Gebäudetechniker und Bauphysikerinnen aus sechs Professuren des Instituts für Technologie in der Architektur der ETH Zürich beteiligt waren. Gemeinsam wollten sie herausfinden, wie sie mittels digitaler Technologien und kollaborativer Planungsprozesse zu einer ressourcenschonenderen und räumlich verdichteten Bauweise beitragen können. Sie schufen ein Reallabor, in dem sie ihre neusten Erkenntnisse im Massstab 1:1 anwendeten. Auf dem Campus Hönggerberg ist so ein Neubau auf dem Dach einer bestehenden Parkgarage entstanden, der Nachhaltigkeit in allen Dimensionen verkörpert. Das Gebäude ist über eine Passerelle mit dem bestehenden Gebäude des Departements Architektur verbunden.

Mit der Leichtigkeit von Holz und Stahl

Um auf den bestehenden Gebäudestrukturen aufbauen zu können, setzten die Wissenschaftler konsequent auf Leichtbautechnologie und verbauten bewusst weniger Baumasse. Im Vergleich zu herkömmlichen Hochbauten, bei denen auf einen Kubikmeter bis zu 400 Kilogramm Material kommen, beträgt die durchschnittlich verbaute Masse des Arch_Tec_Labs lediglich 240 Kilogramm.

Die Wahl der Materialien fiel bei der Dachkonstruktion auf Holz und beim Skelett des Tragsystems auf Stahl, weil diese Materialien im Verhältnis zu ihrer Masse eine optimale Steifigkeit aufweisen. Darüber hinaus kommt die Stahlstruktur ohne tragende Kerne und Schächte aus, was einerseits eine flexible Nutzung ermöglicht und andererseits auch erlaubt, die Raumgestaltung an sich wandelnde Bedürfnisse anzupassen.

Robotergefertigtes Holzdach

Das geschwungene Holzdach des Arch_Tec_Labs hat ein einzelner Portalroboter komplett vorgefertigt. Die Grundlage dafür bildete ein integrierter digitaler Planungs- und Produktionsprozess, der unter der Leitung der Professur für Architektur und digitale Fabrikation mit beteiligten Fachplanern und Erne als ausführender Firma entwickelt wurde. So entstand aus über 48‘000 einzelnen Kanthölzern mit Längen bis zu 3,10 Metern eine Dachstruktur mit Spannweiten von rund 15 Metern. 168 seriell gefügte, robotisch assemblierte und genagelte Fachwerkträger führen die Lasten in fünf Feldern auf Stahlträger ab und integrieren die gesamte Technik vom Brandschutz bis zur Beleuchtung. Ohne weitere Verkleidung lässt die fein gegliederte Struktur der Fachwerkträger das rund 2‘300 Quadratmeter überspannende Dach als eine Gesamtform erscheinen, die mit elegantem Schwung und wechselndem Lichteinfall die offenen oberen Geschosse des Arch_Tec_Labs überwölbt.

Nicht nur in der Planungs- und Bauphase wollten die ETH-Wissenschaftler mit möglichst wenigen Ressourcen auskommen. Das Arch_Tec_Lab soll auch emissionsfrei funktionieren, wenn sie das Gebäude beziehen und darin arbeiten. Als Gebäudetechnik kommt deshalb die an der ETH Zürich seit 2010 entwickelte Null-Emissions-Technologie zum Einsatz. In der doppelten Bodenstruktur des Gebäudes befinden sich 120 so genannte Airboxen, die an das Anergie-Netz des Campus Hönggerberg angeschlossen sind. Diese Airboxen übernehmen die Lüftung und dienen zusätzlich der Heizung und Kühlung des Gebäudes. Der doppelte Boden beherbergt einerseits das Leitungsnetz und sorgt andererseits dafür, dass die Luft durch leichten Überdruck über Bodenauslässe in die Räume gelangt. Für Ulrich Weidmann, Vizepräsident für Personal und Ressourcen der ETH Zürich, ist das Arch_Tec_Lab ein Glücksfall: «Die Wissenschaftler der ETH Zürich entwickeln Innovationen zur Lösung von infrastrukturellen Herausforderungen. Am Beispiel des Arch_Tec_Labs beweisen sie, dass sich verdichtetes Bauen und eine hohe Baukultur nicht gegenseitig ausschliessen. Damit leisten sie einen Beitrag zur nachhaltigen Nutzung des Bodens, von dem wir als ETH nun sogar selbst profitieren.»

Kollaborativen Ansatz weiterverfolgen

Den kollaborativen Ansatz, den die Wissenschaftler beim Bau des Arch_Tec_Labs wählten, wollen sie auch künftig intensiv weiterverfolgen. Im Neubau gibt es keine Einzelbüros, dafür mehr Gemeinschaftsfläche für kleinere und grössere Gruppen. Das von Gramazio Kohler Research initiierte und geplante Robotic Fabrication Laboratory im Erdgeschoss verdeutlicht den mit dem Arch_Tec_Lab verbundenen Anspruch neue Räume für interdisziplinäre Experimente im Bauwesen zu schaffen. Hier ermöglicht ein deckenmontiertes Portalsystem die grossmassstäbliche Ausführung von Bauaufgaben mittels vier kooperierenden Industrierobotern. Das Robotiklabor dient neben den Forschenden des Instituts für Technologie in der Architektur auch den Forschenden des Nationalen Forschungsschwerpunkts Digitale Fabrikation. Realisiert wurde es in enger Zusammenarbeit mit den Firmen ABB und Güdel.

Für Sacha Menz, den geistigen Vater des Arch_Tec_Labs und Vorsteher des Instituts für Technologie in der Architektur, ist das Gebäude die umgesetzte Vision einer zukünftigen Bautechnologie, aber auch für eine neue Art der Zusammenarbeit: «Das Arch_Tec_Lab dient der Forschung im Bauwesen, und diese kann nicht hinter verschlossenen Türen stattfinden. Wir erhoffen uns eine intensivere interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb des Instituts und Forschungsimpulse über die einzelnen Disziplinen hinaus.»

Abschliessend beantwortet sind viele Fragen, die im Arch_Tec_Lab gestellt werden, noch lange nicht – und wollen es auch bewusst nicht sein. Denn das Arch_Tec_Lab versteht sich als Reallabor, in dem die Forschenden gemeinsam mit ihren Studierenden immer wieder neue Fragestellungen angehen und Lösungen vor Ort erproben. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen der Baudindustrie und letztlich der Gesellschaft zugutekommen.

Externer Link: www.ethz.ch