Mit diesem Organismus fing alles an: Der erste digitale Zwilling, den Karlheinz Ochs erstellte, repräsentierte einen Schleimpilz.
Elektrotechnik
Wachsende Schaltkreise für neue Computer
Elektronik, die ohne vorgegebenen Schaltplan von allein in funktionale Strukturen wächst – die Natur macht vor, wie es geht.
Wer einen klassischen Computer bauen will, entwirft zunächst einen Schaltplan und verdrahtet die elektronischen Komponenten dann streng nach Konzept. Es gibt jedoch Rechenmaschinen auf diesem Planeten, die auf ganz andere Weise entstehen: biologische Nervensysteme. Die Natur zeigt, dass auch aus lokalen Regeln, Fluktuationen und millionenfachen Wechselwirkungen funktionierende Netzwerke erwachsen können. Genau diese Prinzipien wollen Forschende um Prof. Dr. Karlheinz Ochs an der Ruhr-Universität Bochum für neue elektronische Systeme nutzbar machen. „Die Natur ist sehr effizient darin, Intelligenz selbstständig und ohne großen Energieaufwand hervorzubringen“, sagt Ochs vom Lehrstuhl für Digitale Kommunikationssysteme.
Statt auf immer größere, energiehungrigere Rechenzentren zu setzen, erforscht Ochs eine andere Richtung: elektronische Systeme, die Struktur, Speicher und Rechenprozess enger miteinander verschränken und energieeffizient arbeiten. Solche Architekturen könnten besonders bei komplexen Optimierungsaufgaben von Vorteil sein. Also dort, wo klassische digitale Rechner viel Aufwand treiben müssen.
Von einzelligen zu komplexeren Modellorganismen
Der Schlüssel für die Realisierung solcher Systeme ist zu verstehen, wie die Natur mit physikalischen Prozessen rechnet. Dabei helfen Modellorganismen – und selbst von einfachen Kreaturen lässt sich viel lernen. Obwohl der Schleimpilz Physarum ein einfacher einzelliger Organismus ist, kann er einen Weg durch ein Labyrinth finden. „Rechnen beginnt hier schon auf der Ebene von Material, Fluss und Rhythmus – ganz ohne Nervenzellen“, sagt Ochs.
Auch der Fadenwurm C. elegans mit seinen nur 302 Nervenzellen lieferte dem Forscher wichtige Erkenntnisse. Er erstellte einen digitalen Zwilling des Systems, der ihm erlaubte, Netzwerke im Modell zu verändern und so Beziehungen zwischen Struktur und Funktion systematisch zu untersuchen. Auch für die Hydra, einen Süßwasserpolypen, interessierte sich der Wissenschaftler, weil ihr Nervensystem sich immer wieder erneuert, was zeigt, wie trotz eines ständigen Umbaus Funktion erhalten bleiben kann.
Das Facettenauge der Fruchtfliege Drosophila: In ihrem visuellen System entstehen hochpräzise Verschaltungen nicht durch einen zentralen Bauplan, sondern durch selbstorganisierte axonale Wachstumsprozesse. Diese Entwicklungsdynamik dient im Projekt als biologisches Vorbild.
Gemeinsam mit dem Biologen Prof. Dr. Robin Hiesinger von der Freien Universität Berlin untersucht Karlheinz Ochs derzeit die Entwicklung des visuellen Systems der Fruchtfliege Drosophila. Die beiden interessieren sich dafür, wie sich die Sehsinneszellen des Auges ohne zentralen Plan mit den Nervenzellen des Gehirns verdrahten. Es geht ihnen nicht um ein Abbild des Facettenauges selbst, sondern um die Dynamik, mit der sich die Verschaltung zwischen Sinneszellen und nachgeschalteten Nervenzellen entwickelt. Diesen Prozess wollen die Forschenden mathematisch beschreiben, elektrisch nachbilden und als digitalen Zwilling emulieren.
Präzision aus Unschärfe
„Wenn wir alle diese Beispiele zusammennehmen, sehen wir, dass biologische Systeme nicht nur mit Signalen rechnen, sondern zum Beispiel auch mit Materialzuständen, Rhythmen oder Schwankungen“, sagt Ochs. „Man könnte meinen, dass die Biologie mit ungenauen Bausteinen arbeitet. Das Erstaunliche ist aber, dass daraus hochfunktionale und oft sehr präzise Systeme entstehen. Die Parameterschwankungen, die in der klassischen Elektronik oft als Störung gelten, können in biologischen Systemen funktional sein. Fluktuationen, Variabilität und lokale Ungenauigkeiten helfen dabei, den Lösungsraum zu erkunden. Sie machen Selbstorganisation, Anpassung und das Auffinden günstiger Konfigurationen überhaupt erst möglich.“
Die Natur in die Sprache der Elektrotechnik übersetzen
Diese Prinzipien möchte sich Karlheinz Ochs’ Gruppe zunutze machen. Sie besetzt dabei eine Schnittstelle zwischen Biologie und Materialwissenschaft. „Diese Disziplinen sprechen nicht die gleiche Sprache“, sagt der Bochumer Forscher. „Wir leisten die Übersetzungsarbeit.“
Karlheinz Ochs ist Forscher am Lehrstuhl für Digitale Kommunikationssysteme an der Ruhr-Universität Bochum. Er ist fasziniert von den Funktionsmechanismen der Natur.
Das Team überführt biologische Prozesse zunächst in mathematische Modelle, oft in Form von Differentialgleichungen. Daraus leiten die Forschenden gleichwertige elektrische Ersatzschaltungen ab. Mithilfe der sogenannten Wellendigitalemulation lassen sich diese Schaltungen anschließend als digitale, energetisch konsistente Echtzeitmodelle umsetzen. Es entstehen virtuelle Bauteile, die mit realer Hardware gekoppelt werden können – ein Verfahren, das als Emulation bezeichnet wird.
Emulation vs. Simulation
Emulation vs. Simulation
In der Emulation kann das Team etwa untersuchen, wie sich veränderte Materialparameter oder unterschiedlich starke Kopplungen zwischen Bauteilen auf das Verhalten eines Netzwerks auswirken. Das Ergebnis sehen die Forschenden in Echtzeit. So können sie schnell diverse Parameter durchspielen und vielversprechende Konfigurationen für die erdachte Komponente finden.
Kooperation mit Materialwissenschaft
Manchmal bringt die Emulation besondere Wünsche hervor, zum Beispiel, dass Materialien mit bestimmten Eigenschaften benötigt werden. Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1461 Neuroelektronik arbeitet Karlheinz Ochs mit Materialwissenschaftler Prof. Dr. Hermann Kohlstedt von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel zusammen. Dessen Team entwickelt Werkstoffe, mit denen die von der Natur abgeschauten Prozesse elektrotechnische Realität werden können.
Derzeit erweitern die beiden Wissenschaftler gemeinsam eine bereits aufgebaute Ising-Maschine, ein Computersystem, das darauf spezialisiert ist, bestimmte kombinatorische Optimierungsprobleme in die Dynamik eines physikalischen Systems zu übersetzen. Es ersetzt zwar keine Universalrechner, könnte aber für ausgewählte schwierige Aufgaben energieeffiziente Alternativen bieten.
Diese Ising-Maschine konstruierten Kieler Materialwissenschaftler gemeinsam mit dem Bochumer Team.
Was hier aussieht wie herkömmliche Elektronik, ist eine grundlegend neue Technologie, deren Rechenprinzipien von der Natur abgeschaut sind.
Schlüssel zum Erfolg sind sogenannte memristive Materialien – elektronische Bauelemente, deren Leitfähigkeit von ihrer Strom- und Spannungsgeschichte abhängt. Während gewöhnliche elektronische Kopplungen durch feste Widerstände realisiert werden, verwenden Kohlstedt und Ochs Materialien, in denen sich leitende Pfade dynamisch ausbilden können: Verbindungen wachsen, verschwinden und reorganisieren sich abhängig von ihrer bisherigen elektrischen Aktivität. „Nicht wir Ingenieure entwerfen das optimale Netzwerk. Es entsteht selbst“, erklärt Ochs. Solche Elemente lassen sich modellieren, emulieren und in ersten Hardware-Demonstratoren untersuchen.
Dass die memristiven Elemente im Prinzip funktionieren, hat das Bochumer Team bereits gezeigt. Die Forschenden kombinierten sie mit elektronischen Oszillatoren, also Schaltungen, die rhythmische Aktivität erzeugen. Werden viele solcher Oszillatoren gekoppelt, entstehen kollektive Dynamiken wie Synchronisation oder Clusterbildung. Solche Effekte lassen sich in Demonstratoren bereits für Klassifikations- und Optimierungsaufgaben nutzen.
Langfristig geht es Karlheinz Ochs darum, eine neue Art von Hardware zu entwickeln, die er als neuromorph bezeichnet. Darin sollen Rechnen, Speichern und Anpassungsprozesse enger miteinander verbunden sein als in klassischen Computern. Das ermöglicht neue energieeffiziente Rechenarchitekturen, die Informationen lokal verarbeiten. Dadurch ergeben sich auch Vorteile bei der Datensicherheit, weil eine Cloud-Speicherung nicht mehr nötig wäre, und neue Anwendungsfelder, etwa im medizinischen Bereich der Hirnprothesen.
Eine neue Klasse intelligenter Systeme
„Ich glaube, wir stehen am Anfang einer neuen Klasse intelligenter Systeme“, meint Ochs. „In zehn Jahren könnten wir eine Technologie zur Verfügung haben, die nicht mehr vollständig programmiert wird – sondern wächst und sich anpasst. Vielleicht sprechen wir dann nicht mehr von künstlicher, sondern von physikalischer Intelligenz.“
Es fühlt sich an wie eine Entdeckungsreise zum natürlichen Ursprung von Intelligenz.
„Egal, ob wir von Schleimpilzen, Hydra oder memristiven Materialien sprechen: Es geht letztendlich immer darum, dass Rechnen nicht nur in Programmen stattfindet, sondern auch in Material, Struktur und Dynamik“, resümiert Karlheinz Ochs. Diese Forschung begeistert ihn: „Wenn ein Netzwerk plötzlich ein Muster erkennt, eine optimale Lösung findet oder seine Struktur selbst reorganisiert – ohne dass jemand es explizit dafür programmiert hat – dann merkt man, dass etwas Grundlegendes passiert. Es fühlt sich an wie eine Entdeckungsreise zum natürlichen Ursprung von Intelligenz.“
GEMESYS
