Die Suche nach intelligenten Materialien: Das Ideal liegt in den Armen eines Oktopus

Nachdem intelligente Maschinen an ihre Grenzen gestoßen sind, arbeitet der Mensch an smarten Materialien.

Betrachten wir Kunstleder, das nicht nur gute mechanische Eigenschaften zum Wundverschluss besitzt, sondern auch seinen Temperatur- und Feuchtigkeitshaushalt regulieren kann. Oder Kleidung, die den Körper je nach Wetter wärmt oder kühlt. Dies sind die möglichen Anwendungen von Smart Materials und KI-ausgerüsteten Materialien

Die Wissenschaft intelligenter Materialien ist noch ein neues Feld. Professor Twente Wilfred van der Wiel, einer der führenden Forscher auf diesem Gebiet, und mehrere Kollegen aus Münster haben diese Woche in einer Fachzeitschrift veröffentlicht. Natur ein Überblick Von Ergebnissen bis heute und Zukunftsaussichten. Es ist eine weitreichende Vision: Smart Materials reichen von Soft Robotics bis hin zu Informatik und Nanotechnologie, dem Fachgebiet von Van der Wiel.

Menschen bauen viele der nützlichen Systeme aus Teilen mit unterschiedlichen Funktionen und oft aus unterschiedlichen Materialien. Damit hat es einen langen Weg zurückgelegt, aber auch an Grenzen gestoßen, zum Beispiel in Bezug auf Rechenleistung und Geschwindigkeit. Van der Wiel: “Maschinen wie heutige Computer sind an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit gestoßen. Mit dieser traditionellen Architektur stoßen sie an physikalische Grenzen, zum Beispiel beim Energieverbrauch, der zu einem ernsthaften Problem wird. Wenn wir Intelligenz in das Material selbst einbauen können, ist dies möglich.” wird zu einer deutlichen Steigerung der Rechenleistung und einer deutlichen Reduzierung des Energieverbrauchs führen.“

Der Übergang von einem aus Teilen gebauten Computer zu einem kalkulierbaren Material ist so groß wie der Schritt von einer Radioröhre zu einem Transistor. Du erreichst ein ganz anderes Level. Die Van der Wiel-Forschungsgruppe von Brains – dem Zentrum für vom Gehirn inspirierte Nanosysteme – lieferte im vergangenen Jahr ein Beispiel mit einem Gitter aus Boratomen in Silizium. Ein Netzwerk auf atomarer Ebene, „in dem wir kleine Spannungen anlegen und Ströme messen können“, sagt der Twente-Professor. Das Microgrid kann für künstliche Intelligenz genutzt werden. Er kann lernen, Muster wie diese Buchstaben zu erkennen.

READ  In der Vergangenheit war der Mars abwechselnd nass und trocken

Selbstheilung

Van der Wiel: “Hersteller von intelligenten Materialien lassen sich von der Natur inspirieren, um gewünschte Eigenschaften in Materialien zu bauen. Der Vorteil ist zum Beispiel, dass intelligente Materialien wirtschaftlicher sind als die Maschinen, die wir jetzt haben. Oder denken Sie an die Wartung: Jetzt müssen wir überwachen.” die Materialien, die wir herstellen, um zu verhindern, dass sie sich zersetzen. Es wäre von Vorteil, wenn die Substanz selbstheilend wäre.“

Das sind technische Ziele, sagt van der Wael. Dazu kommt die wissenschaftliche Verliebtheit: „Wir wollen verstehen. Mit dem Club begann die wissenschaftliche Erforschung des Menschen: Was kann man damit machen? Und jetzt denken wir darüber nach, wie wir intelligente Eigenschaften in die Materialien einbauen können.”

Van der Weel und Kollegen haben erhebliche Unterstützung für diese wissenschaftliche Forschung erhalten. Nicht in Holland, sondern in Deutschland. Er lehrt nicht nur an der Universität Twente, sondern auch an der WWU Münster, jenseits der Grenze. Die beiden Universitäten gründen ein gemeinsames Forschungszentrum für Smart Materials. Dafür werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Forschungsförderer der Bundesregierung, in den nächsten vier Jahren 10 Millionen Euro bereitgestellt, mit einer möglichen Förderung für weitere acht Jahre.

Lernfähigkeit

Innerhalb von sechs Jahren wird das Forschungsprogramm Materialien entwickeln, die man wirklich smart nennen kann, prognostiziert van der Weel. Es gibt keine allgemein anerkannte Definition von Intelligenz, aber in dieser Wissenschaft wird eine Substanz als Intelligenz bezeichnet, wenn sie Informationen aufnehmen, lange speichern und dieses Wissen nutzen kann, um sich an eine sich ändernde Umgebung anzupassen.

Entwickeltes Material ist nicht weit entfernt. Es gibt Materialien, die mit der Umwelt interagieren oder sich anpassen können, aber dies sind nur die ersten Schritte zu wahrer Materialintelligenz.

Auf das, was die Natur zum Beispiel in Form des Gehirns hervorgebracht hat, können die Macher smarter Materialien derzeit nur neidisch blicken. Wir versuchen, seine Eigenschaften zu nutzen, sagt van der Weel: “Die große Stärke des Gehirns besteht darin, dass es viele Dinge gleichzeitig tun kann. Neuronen haben Tausende von Verbindungen miteinander, die gleichzeitig viele Berechnungen durchführen können.” Es gibt kein Gerät, das ein Computer jetzt kann.”

Und das kann das Gehirn mit sehr wenig Energie: „Diese Effizienz verdankt das Gehirn zum Teil einer Struktur, in der Informationen verarbeitet und an derselben Stelle gespeichert werden, also an Synapsen, den Verbindungen zwischen Neuronen Rechen- und Speichereinheit und muss immer Informationen aus dem Speicher abrufen und wieder speichern, das kostet Energie und Zeit.“

Die dritte Eigenschaft des Gehirns, die Wissenschaftler in intelligente Materialien einführen wollen, ist die Plastizität. Im Gehirn verändern sich die Verbindungen zwischen Neuronen ständig. Dem verdankt er seine Lernfähigkeit.

Van der Wiel: „Auch wenn wir diese Eigenschaften in Materialien nutzen können, haben wir die kognitiven Fähigkeiten, das Bewusstsein und den freien Willen des Menschen noch nicht erreicht. Wir befinden uns noch auf der niedrigsten Intelligenzstufe. Wir wollen auch nicht erschaffen Selbstreflexionswesen, davor brauchen wir uns nicht zu fürchten, auch das könnten wir nicht. Aber es wäre toll, zum Beispiel Implantate herzustellen, die mit dem Körper mitfühlen, oder Materialien, die die Funktionen des Gehirns übernehmen können nachdem es beschädigt wurde.”

Louman & Frisos Foto

In vier Schritten zur Intelligenz

Der Weg zu intelligenten Materialien beginnt mit Ziegeln (ganz links) oder Materialien mit einer einheitlichen Form und Struktur, die sich nach der Erstellung nicht ändern.

Im zweiten Schritt handelt es sich um Materialien, die auf einen Reiz aus der Umgebung (rot blinkend) reagieren und so ihre Form verändern können. Eine Veränderung, die auch bei Gegenstimulation reversibel ist (violettes Blinken). Diese Materialien enthalten so etwas wie einen „Sensor“ und so etwas wie einen „Aktor“. Ein Beispiel sind Materialien, die sich unter Lichteinwirkung verbiegen und sich dann wieder ausdehnen. Mit den richtigen Lichtblitzen können sie buchstäblich weitermachen.

Der dritte Schritt sind Materialien, die nicht nur interagieren, sondern sich auch an ihre Umgebung anpassen können. Neben der Sensor- und Motorleistung verfügen sie auch über ein Raster, das ihr Verhalten steuert. Es gibt zum Beispiel kleine Roboter, die sich in Mustern bewegen können, wie ein Vogelschwarm, weil jeder Roboter von seinem nächsten Nachbarn geleitet wird.

Im vierten und letzten Schritt kommt das Langzeitgedächtnis hinzu, an das sich die Versuchsperson nicht nur anpassen, sondern auch erinnern und aus den Anpassungsprozessen lernen kann. Dieses intelligente Material wurde noch nicht in einem Labor synthetisiert. Momentan sind sie der ausschließliche Lebensbereich und in der Natur üblich, zum Beispiel in den Armen eines Oktopus.

Lesen Sie auch:

Ein Computer, der funktioniert, wenn unser Gehirn Gefühle kennt und kennt

Es könnte sich in ein Quantengehirn verwandeln, einen Computer, der wie unserer funktioniert. Aber die Geschichte beginnt mit ein paar Atomen Kobalt.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.