Nachdem intelligente Maschinen an ihre Grenzen stoßen, arbeiten Menschen an smarten Materialien.
Denken Sie an künstliche Haut, die nicht nur gute mechanische Eigenschaften zum Wundverschluss besitzt, sondern auch den 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 zu Gegenwart und Zukunftsaussichten. Es ist eine breite Vision: Smart Materials reichen von Soft Robotics bis hin zu Informatik und Nanotechnologie, das ist das Fachgebiet von Van der Wiel.
Viele nützliche Systeme bestehen aus Teilen mit unterschiedlichen Funktionen und oft aus unterschiedlichen Materialien. Damit ist es weit gekommen, musste aber auch mit Einschränkungen, etwa bei Rechenleistung und Geschwindigkeit, zurechtkommen. Van der Wiel: „Maschinen wie heutige Computer sind an ihre Grenzen gestoßen. Bei dieser traditionellen Architektur stoßen sie auf physische Einschränkungen, beispielsweise beim Energieverbrauch, der zu einem ernsthaften Problem wird. Wenn wir Intelligenz in das Material selbst einbauen können, wird dies zu einer deutlichen Leistungssteigerung von Computern und einem deutlich geringeren Energieverbrauch führen.“
Der Übergang von einem aus Teilen gebauten Computer zu einem kalkulierbaren Material ist so groß wie der Schritt von einer Radioröhre zum Transistor. Du erreichst ein ganz anderes Level. Die Forschungsgruppe Van der Wiel van Brains – das Zentrum für vom Gehirn inspirierte Nanosysteme – gab im vergangenen Jahr ein Beispiel mit einem Netzwerk von Boratomen in Silizium. Ein Netzwerk auf atomarer Ebene, „in dem wir kleine Spannungen anlegen und Ströme messen können“, sagt der Professor in Twente. Das Microgrid kann für künstliche Intelligenz genutzt werden. Er kann lernen, Muster wie diese Buchstaben zu erkennen.
Selbstheilung
Van der Wiel: „Hersteller intelligenter Materialien lassen sich von der Natur inspirieren, um gewünschte Eigenschaften in Materialien zu integrieren. Der Vorteil ist zum Beispiel, dass Smart Materials wirtschaftlicher ist als die Maschinen, die wir heute haben. Oder denken Sie an die Wartung: Jetzt müssen wir die Materialien, die wir herstellen, im Auge behalten, damit sie nicht kaputt gehen. 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. Die wissenschaftliche Erforschung des Menschen begann mit dem Verein: Was kann man damit machen? Und jetzt überlegen wir, wie wir intelligente Eigenschaften in die Materialien einbauen können.“
Van der Weel und Kollegen haben viel Unterstützung für diese wissenschaftliche Studie erhalten. Nicht in den Niederlanden, sondern in Deutschland. Er lehrt nicht nur an der Universität Twente, sondern auch an der WWU Münster, jenseits der Grenze. Die beiden Universitäten richten ein gemeinsames Forschungszentrum für Smart Materials ein. Dafür stellt die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), der Forschungsförderer des Bundes, in den nächsten vier Jahren 10 Millionen Euro mit einer möglichen Förderung für weitere acht Jahre zur Verfügung.
Lernfähigkeit
In sechs Jahren werden im Forschungsprogramm Materialien entwickelt, 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, für lange Zeit 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.
Die Macher smarter Materialien können derzeit nur beneiden, was die Natur zum Beispiel in Form des Gehirns hervorgebracht hat. Wir versuchen, seine Eigenschaften zu nutzen, sagt Van der Weel: „Die große Kraft des Gehirns besteht darin, dass es viele Dinge gleichzeitig tun kann. Neuronen haben Tausende von Verbindungen miteinander, die viele Berechnungen gleichzeitig 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. Ein klassischer Computer hat eine Rechen- und Speichereinheit und muss immer Informationen aus dem Speicher abrufen und wieder abspeichern. 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 immer noch auf der niedrigsten Intelligenzstufe. Wir wollen auch keine selbstreflexiven Wesen erschaffen, davor müssen wir keine Angst haben. Wir konnten nicht einmal das tun. Aber es wäre toll, zum Beispiel Implantate herzustellen, die sich in den Körper einfühlen, oder Materialien, die die Funktionen des Gehirns übernehmen können, nachdem es geschädigt wurde.“
In vier Schritten zur Intelligenz
Der Weg zu intelligenten Materialien beginnt mit Ziegeln (ganz links) oder Materialien mit einer festen Form und Struktur, die sich nach der Erstellung nicht ändern.
Der zweite Schritt betrifft Materialien, die auf einen Reiz aus der Umgebung (rot blinkend) reagieren und so ihre Form verändern können. Eine Veränderung, die auch bei Gegenstimulation (violettes Blinken) reversibel ist. 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 sich buchstäblich vorwärts bewegen.
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 Gitter, das ihr Verhalten lenkt. Es gibt zum Beispiel kleine Roboter, die sich in Mustern bewegen können, wie ein Vogelschwarm, weil jeder Roboter von seinem nächsten Nachbarn gesteuert wird.
Im vierten und letzten Schritt kommt das Langzeitgedächtnis hinzu, an das sich der Proband nicht nur anpassen, sondern auch erinnern und aus den Anpassungsprozessen lernen kann. Dieses clevere Material wurde noch nicht in einem Labor synthetisiert. Im Moment sind sie der ausschließliche Lebensbereich und in der Natur üblich, zum Beispiel in den Armen eines Oktopus.
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