Die Forschung an der Schnittstelle von Biologie und Technologie trägt zunehmend zur Entwicklung neuartiger, energieeffizienter Computersysteme bei. Forschende um Prof. Dr. Karlheinz Ochs an der Ruhr-Universität Bochum untersuchen, wie biologische Nervensysteme als Vorbild für neuartige elektronische Systeme dienen können. Das Ziel dieser Arbeiten ist es, die Struktur, den Speicher und die Rechenprozesse von elektronischen Systemen enger miteinander zu verknüpfen, um intelligenter zu agieren.
Ochs und sein Team setzen dabei auf Modellorganismen wie den Schleimpilz Physarum und den Fadenwurm C. elegans. Diese Organismen bieten wertvolle Erkenntnisse zur Funktionsweise biologischer Systeme, die zeigen, dass Intelligenz aus lokalen Regeln und Wechselwirkungen entstehen kann. Um diese Erkenntnisse weiter zu vertiefen, erstellt Ochs digitale Zwillinge der Organismen und untersucht die Beziehungen zwischen Struktur und Funktion. Ein besonderes Augenmerk gilt der Hydra, deren Nervensystem sich stetig erneuert.
Die Schnittstelle von Biologie und Technologie
Gemeinsam mit Prof. Dr. Robin Hiesinger von der Freien Universität Berlin erforscht Ochs die Entwicklung des visuellen Systems der Fruchtfliege Drosophila. In diesem Rahmen wird angestrebt, die Dynamik der Verschaltung zwischen Sinneszellen und Nervenzellen mathematisch zu beschreiben und elektrisch nachzubilden. Die biologische Natur nutzt Materialzustände, Rhythmen und Schwankungen, um hochfunktionale Systeme zu schaffen. Ochs‘ Gruppe übersetzt diese Prozesse in mathematische Modelle und entwickelt elektrische Ersatzschaltungen.
Ein innovativer Ansatz ist die Wellendigitalemulation, die es ermöglicht, diese Schaltungen in digitalen Echtzeitmodellen umzusetzen. Mit der Emulation können das Verhalten von Systemen in Echtzeit untersucht und vielversprechende Konfigurationen identifiziert werden. Hierbei kooperiert Ochs mit Prof. Dr. Hermann Kohlstedt von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, um Materialien für neuroelektronische Prozesse zu entwickeln. Gemeinsam entsteht eine Ising-Maschine, die kombinatorische Optimierungsprobleme in physikalische Systeme übersetzt.
Ein zentrales Element dieser Forschung sind memristive Materialien, die dynamische elektronische Bauelemente schaffen, die sich je nach elektrischer Aktivität reorganisieren. Ochs strebt die Entwicklung neuromorpher Hardware an, die Rechnen, Speichern und Anpassungsprozesse miteinander kombiniert. Das langfristige Ziel ist die Schaffung intelligenter Systeme, die in der Lage sind, sich anzupassen, anstatt vollständig programmiert zu sein. Ein Beispiel für die Umsetzung dieser Ideen ist das Start-up GEMESYS, gegründet von Doktoranden der Ruhr-Universität, das eine vom menschlichen Gehirn inspirierte Computerarchitektur entwickelt.
NeuroSys: Fokus auf neuromorphe Hardware
Die Initiative „NeuroSys“, Teil der „Clusters4Future“-Strategie des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), zielt darauf ab, die Region Aachen als führenden Standort für neuromorphe Hardware und Künstliche Intelligenz (KI) zu etablieren. In drei Phasen werden innovative Hardware-Konzepte entwickelt, die für Anwendungen wie autonomes Fahren, intelligente Städte und personalisierte Gesundheitsversorgung erforderlich sind. Das interdisziplinäre Team aus Physikern, Neurowissenschaftlern, Ingenieuren und Informatikern arbeitet daran, europäische KI-Hardware zu entwickeln, die in ihrer Energieeffizienz und Performanz optimiert ist.
Insgesamt umfasst NeuroSys fünf Teilprojekte, die von der RWTH Aachen koordiniert werden. Die Projekte konzentrieren sich auf verschiedene Aspekte, darunter die Entwicklung von memristiven Crossbar-Architekturen, die Nutzung optischer Übertragungssysteme zur Beschleunigung neuromorpher Hardware und die Untersuchung der Vorteile neuromorpher Hardware anhand konkreter Anwendungsbeispiele wie kamerabasierte Diagnostik und individualisierte medizinische Controller. Ziel ist es, ein Innovationsökosystem zu schaffen, das technologische Unabhängigkeit in einem ethisch und wirtschaftlich sensiblen Bereich ermöglicht.
Das Gesamtziel dieser bedeutenden Forschungsanstrengungen ist es, die Grundlagen für die nächste Generation von intelligenten, energieeffizienten Computersystemen zu legen, die nicht nur effizienter, sondern auch anpassungsfähiger sind.