technologiewerte.de – MOOCblick Mai 2018

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

The Quantum Internet and Quantum Computers:
How Will They Change the World?
Stephanie Wehner (Delft University of Technology) et al.
Start: 28.05.2018 / Arbeitsaufwand: 12-18 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Immunzellen erkennen Stoffwechselprodukte von Darmbakterien

Medienmitteilung der Universität Basel vom 09.05.2018

Eine noch wenig erforschte Gruppe von Immunzellen spielt in der Regulation von Darmbakterien eine wichtige Rolle. Veränderte Stoffwechselbedingungen für die Mikroben wirken sich bei den Abwehrzellen in unterschiedlichen Stadien der Wachsamkeit aus, wie Forschende des Departements Biomedizin von Universität und Universitätsspital Basel in der Fachzeitschrift «Mucosal Immunology» berichten.

Bekannt ist, dass die Stoffwechselprodukte von Bakterien die Zusammensetzung und Funktion von Immunzellen im Darm beeinflussen. Zu diesen Abwehrzellen gehören die MAIT-Zellen (Mukosa-assoziierte invariante T-Zellen), die erst vor einigen Jahren entdeckt wurden und natürlicherweise gehäuft in der Schleimhaut des Darms, in der Haut, der Leber und im Blut vorkommen. Diese Zellen sind darauf spezialisiert, die in jedem Menschen lebenden Mikroorganismen zu erkennen und deren Aktivitäten zu überwachen.

Verschiedene Populationen

Wie die MAIT-Zellen im Dickdarm durch die Stoffwechselprodukte von Bakterien aktiviert und in Funktion gesetzt werden, hat eine Gruppe um Prof. Dr. Gennaro De Libero von der Universität Basel und PD Dr. Petr Hruz vom Universitätsspital Basel untersucht. Sie konnte zeigen, dass in der menschlichen Darmschleimhaut verschiedene Populationen von MAIT-Zellen angesiedelt sind. Identifiziert wurden diese Stämme in Darmbiopsien mit hoch innovativen Methoden und Analysen der Bioinformatik.

Ergebnis: MAIT-Zellen befinden sich abhängig vom Zustand des Stoffwechsels der mikrobiellen Darmflora in unterschiedlichen Stadien von Wachsamkeit. Stimuliert werden die Abwehrzellen am häufigsten von Bakterien, die wenig Sauerstoff vorfinden und sich langsam vermehren – Bedingungen, wie sie im Dickdarm auftreten. Die MAIT-Zellen können dann eine lokale Entzündung, die Heilung von Gewebe und die allgemeine Fitness der Darmzellen beeinflussen, indem sie verschiedene Botenstoffe produzieren.

«Feines Gleichgewicht»

«Unsere Resultate verdeutlichen, das im Darm ein feines Gleichgewicht zwischen den mikrobiellen Wachstumsbedingungen, der Produktion von stimulierenden Stoffwechselprodukten und der Antwort der MAIT-Abwehrzellen herrscht», kommentieren die Forschenden. Der Stoffwechsel von Mikroben im Darm passt sich ständig an veränderte Wirtsbedingungen an. Indem die MAIT-Zellen den Stoffwechselzustand von Darmbakterien erfassen, können sie ihre Funktion in der Immunüberwachung der Darmschleimhaut verstärken.

Originalbeitrag:
Mathias Schmaler et al.
Modulation of bacterial metabolism by the microenvironment controls MAIT cell stimulation
Mucosal Immunology (2018), doi: 10.1038/s41385-018-0020-9

Externer Link: www.unibas.ch

Sensoraufkleber verwandeln menschlichen Körper in Multi-Touch-Oberfläche

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 04.05.2018

Sie ähneln hauchdünnen Pflastern, ihre Form ist frei wählbar und sie funktionieren an jeder Körperstelle. Mit solchen Sensoren auf der Haut lassen sich mobile Geräte wie Smartphone und Smartwatches intuitiver und diskreter bedienen als das bisher der Fall war. Informatiker an der Universität des Saarlandes haben nun Sensoren entwickelt, die sogar Laien mit etwas Aufwand herstellen können. Das Besondere: Die Sensoren erlauben es erstmals, Berührungen auf dem Körper sehr genau und von gleich mehreren Fingern zu erfassen. Ihre Prototypen haben die Forscher erfolgreich in vier unterschiedlichen Anwendungen getestet.

„Der menschliche Körper bietet eine große Oberfläche an, auf die man schnell zugreifen kann. Das geht sogar ohne Blickkontakt“, erklärt Jürgen Steimle, Professor für Informatik an der Universität des Saarlandes, das Interesse der Forscher für diese buchstäbliche Mensch-Maschine-Schnittstelle. Doch die Visionen der Wissenschaftler scheiterten bisher daran, dass die dafür notwendigen Sensoren die Berührungen weder präzise genug messen, noch mehrere Fingerspitzen gleichzeitig erfassen konnten. Den geeigneten speziellen Typ von Sensor hat Jürgen Steimle mit seiner Forschergruppe entwickelt.

Der Sensor namens Multi-Touch Skin ähnelt im Aufbau einem Touchdisplay, wie man es von Smartphones kennt. Zwei Elektrodenschichten, jeweils in Spalten und Zeilen angeordnet, bilden übereinander positioniert eine Art Koordinatensystem, an dessen Kreuzungspunkten ständig die elektrische Kapazität gemessen wird. Diese verringert sich an der Stelle, an der die Finger den Sensor berühren, da die Finger elektrisch leiten und so die Ladung abfließen lassen. Diese Änderungen werden an allen Stellen erfasst und dadurch auch die Berührungen durch mehrere Finger erkannt. Um das Optimum zwischen Leitfähigkeit, mechanischer Robustheit und Flexibilität herauszufinden, haben die Forscher verschiedene Materialien untersucht. Werden beispielsweise die Komponenten Silber als Leiter, der Kunststoff PVC als isolierendes Material zwischen den Elektroden und der Kunststoff PET als Substrat ausgewählt, lässt sich der Sensor mit einem haushaltsüblichen Tintenstrahldrucker in weniger als einer Minute drucken.

„Damit wir die Sensoren wirklich an allen Körperstellen nutzen können, mussten wir sie von ihrer rechteckigen Form befreien. Das war ein wichtiger Aspekt“, erklärt Aditya Shekhar Nittala, der in der Gruppe von Jürgen Steimle für seine Doktorarbeit forscht. Die Wissenschaftler entwickelten daher eine Software für Designer, damit diese die Form des Sensors nach Belieben gestalten können. In dem Computerprogramm malt der Designer zuerst die äußere Form des Sensors, dann umrandet er innerhalb der äußeren Form den Bereich, der berührungsempfindlich sein soll. Ein spezieller Algorithmus berechnet dann für diesen definierten Bereich die möglichst flächendeckende Belegung mit berührungsempfindlichen Elektroden. Anschließend wird der Sensor gedruckt.

Wie hilfreich diese neu gewonnene Formfreiheit ist, wird insbesondere bei einem der vier Testprototypen deutlich, die die Wissenschaftler alle mit ihrer neuartigen Fabrikationsmethode hergestellt haben: Da der Sensor in seiner Form einer Ohrmuschel ähnelt, klebt er bei der Versuchsperson direkt hinter dem rechten Ohr. Die Versuchsperson kann auf ihm nach oben oder nach unten streichen, um die Lautstärke zu regulieren. Das Streichen nach rechts und links wechselt das Musikstück, während das Berühren mit dem flachen Finger das Lied stoppt.

Für die Saarbrücker Wissenschaftler ist Multi-Touch Skin ein weiterer Beweis, dass die Forschung zu Schnittstellen auf der Haut lohnenswert ist. In Zukunft wollen sie sich darauf konzentrieren, noch fortschrittlichere Designprogramme für die Sensoren bereitzustellen und Sensoren zu entwickeln, die gleich mehrere Sinnesmodalitäten erfassen. Ihre Arbeiten zu Multi-Touch Skin wurden durch den Starting Grant „Interaktive Skin“ des Europäischen Forschungsrates (ERC) finanziert.

Den jetzt vorgestellten Sensor hat Jürgen Steimle zusammen mit Aditya Shekhar Nittala, Anusha Withana und Narjes Pourjafarian, alles Mitglieder seiner Forschungsgruppe, entwickelt. Auf der internationalen Konferenz „CHI Human Factors in Computing Systems“ am 26. April im kanadischen Montreal präsentierten die Saarbrücker Forscher ihre Methode, die es Interaktionsdesignern erstmals ermöglicht, hochauflösende Multitouch-Sensoren für den Körper zu designen und herzustellen.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Mathepuzzle für bessere Materialausnutzung

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.05.2018

Unternehmen, die Stahl verarbeiten, benötigen meist individuell zugeschnittene Stahlstangen, um ihre Produkte herzustellen. Stahlhändler stehen dadurch vor der Herausforderung, die kundenspezifischen Wünsche zu erfüllen und gleichzeitig möglichst wenig Schrott zu produzieren. Das heißt, sie müssen den Lagerbestand möglichst materialeffizient aufteilen. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI haben eine Software entwickelt, die dieses Problem adressiert, den anfallenden Schrott minimiert und so die Materialausnutzung optimiert.

Stahl ist ein vielseitigster Werkstoff und wird für die Herstellung unzähliger Produkte eingesetzt – vom Küchenmesser über Stahlbeton bis hin zur Flugzeugturbine und zum Ozeanriesen. Jahr für Jahr werden weit über eine Milliarde Tonnen des metallischen Werkstoffs produziert und verarbeitet. Von der Herstellung bis zum fertigen Produkt ist es jedoch eine lange Reise, bei der jährlich mehrere 100 Millionen Tonnen Schrott anfallen. So schneiden zum Beispiel Stahlhändler ihre standardisierten Stahlstangen genau auf die kundenspezifischen Längen zu – ein Vorgang, bei dem eine Menge Schrott entsteht. Die Herausforderung ist es daher, die Schnitte so zu setzen, dass aus dem Lagerbestand möglichst viele verwendbare Stangen geschnitten werden können. Frühere Lösungen für diese Herausforderung waren oft wenig befriedigend. Doch Experten des Fraunhofer SCAI in Sankt Augustin haben mit einer selbst entwickelten Software, dem »AutoBarSizer«, eine Lösung vorgelegt, die den anfallenden Schrott deutlich reduziert, eine sehr gute Materialausnutzung erbringt und dadurch die Kosten für den Stahlhändler merklich senkt.

Merkliche Effizienzsteigerung

»Unsere Software errechnet Schnittpläne, die auf den Stangen im Lager des Händlers beruhen und sowohl neue Stangen mit Standardlänge als auch die unterschiedlich langen Restbestände miteinbeziehen«, erklärt Thomas Weyd vom Fraunhofer SCAI. »In einem Pilotprojekt konnten wir so die Materialausnutzung um sieben Prozentpunkte erhöhen und den Restlagerbestand um 25 Prozent reduzieren.« Bei den großen Mengen an Stahl, die umgesetzt werden, rechnet sich diese Effizienzsteigerung schnell. Ein Beispiel: Bei einem Stahlpreis von 500 Euro pro Tonne und einem Verarbeitungsvolumen von 50 Tonnen am Tag kann der Stahlhändler bei einer Verbesserung um nur einen Prozentpunkt bereits 5000 Euro im Monat einsparen.

Die Software lässt sich genau an die jeweiligen Gegebenheiten anpassen. Dabei lassen sich nicht nur Parameter wie die Maschineneigenschaften einstellen. Auch ab wann ein Schnittrest weiterverwendet oder verschrottet werden soll, lässt sich festlegen. Darüber hinaus kann »AutoBarSizer« bei der Berechnung des optimalen Schnittplans auf die Daten des Lagers und des Restebestands zugreifen. Basierend auf diesen Faktoren kann der Verantwortliche mit dem Programm verschiedene Schnittpläne mit unterschiedlichen Schwerpunkten erstellen. Beispielsweise einen Schnittplan, bei dem möglichst wenig Schrott anfällt und einen, bei dem möglichst viele Restbestände aufgebraucht werden. Der Händler kann so wahlweise materialsparend arbeiten, das Restelager optimieren oder eine Kombination aus den verschiedenen Varianten wählen.

Algorithmisch optimierter Schnittplan

Basierend auf dem Materialbestand berechnet der Algorithmus des Fraunhofer SCAI sehr gute und häufig beweisbar optimale Ergebnisse. »Das mathematische Grundproblem ist bereits gut erforscht«, sagt Weyd vom Fraunhofer SCAI. »Die Herausforderung, die wir mit »AutoBarSizer« gelöst haben, lag in den alltäglichen Nebenbedingungen. Vor allem Gehrungsschnitte sind eine echte Herausforderung: Bei einem geraden Schnitt ist das Ganze in erster Linie eine Frage der Anordnung. Beim Gehrungsschnitt sind einige zusätzliche Parameter zu beachten.« So müssen zum Beispiel Abstände bei inkompatiblen Gehrungswinkeln mit einberechnet werden. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit, die Stange zu drehen, die Winkel zu tauschen oder zu spiegeln. Die Software des Fraunhofer SCAI bildet diese Faktoren nicht nur mathematisch ab, sondern schlägt auch effiziente Lösungen vor, die Material, Kosten und Zeit sparen.

Mit »AutoBarSizer« haben die Experten des Fraunhofer SCAI verschiedene Fragestellungen gelöst, die bei der Planung in Walzwerken und bei Stahlhändlern, aber ebenso in der holzverarbeitenden Industrie sowie bei Herstellern und Verarbeitern von Leisten aller Art auftreten.

Externer Link: www.fraunhofer.de