Von der Biologie inspirierte Elektronik basiert auf Mechanismen, die von den Nervensystemen von Polypen, Quallen und Echsen abgeleitet werden. Die DFG fördert den Sonderforschungsbereich (SFB) „Neuroelektronik: Biologisch inspirierte Informationsverarbeitung“ ab 2021 mit rund 11,5 Millionen Euro für vier Jahre.
Um energieeffiziente Hardware zu entwickeln, übertragen 33 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus neun Forschungseinrichtungen Erkenntnisse über die Informationswege in tierischen Nervensystemen auf die technische Informationsverarbeitung. Dabei bezieht der Forschungsansatz evolutionsbiologische Mechanismen aus der Tierwelt wie das Zellwachstum mit ein. Dies soll in Zukunft Elektroniksysteme ermöglichen, die konfigurierbar und daher in der Lage sind, sich an unterschiedlichste Situationen und äußere Einflüsse anzupassen.
Vorbild für die innovative Elektronik ...
ist das menschliche Gehirn. Verglichen mit heutigen Computern verarbeitet es Informationen nicht nur effektiver, sondern auch energiesparender. Beispiel Mustererkennung: Um in einer Menge von Daten Regelmäßigkeiten, Wiederholungen, Ähnlichkeiten oder Gesetzmäßigkeiten zu erkennen, verarbeitet das Gehirn eine Vielzahl unterschiedlichster Informationen zeitgleich und kann sich dabei sogar an wechselnde äußere Bedingungen anpassen. Dabei arbeitet es äußerst energieeffizient und benötigt dafür gerade einmal 25W.
Um besser verstehen zu können, nach welchen Gesetzmäßigkeiten die Nervenzellen Informationen weitergeben und wie lokale Prozesse mit dem gesamten Nervensystem zusammenhängen, werden im SFB Neuroelektronik Untersuchungen von biologischen Modellorganismen mit unterschiedlich komplex entwickelten Nervensystemen durchgeführt. Dafür leiten die Forscher Grundprinzipien dynamischer biologischer Netzwerke von dem Süßwasserpolypen Hydra, der Würfelqualle Tripedalia cystophora und der Echse Anolis carolinensis ab und übertragen sie auf technische Systeme.
Memristive Bauelemente
Kernbaustein der neuen Technologie sind elektronische Bauelemente, die über einen Gedächtniseffekt verfügen: Solch memristive Bauelemente – sie sind in der Lage, den Verlauf elektrischer Signale zu speichern – wollen die Wissenschaftler in Zukunft in dynamische Schaltungsarchitekturen integrieren. Das Wort memristiv setzt sich zusammen aus dem Englischen „Memory“ für Erinnerung oder Speicher und „Resistor“ für elektrischen Widerstand.
Biologisch inspirierte, extrem energiesparende elektronische System sollen dabei helfen, die digitale Informationsverarbeitung voranzutreiben. Im Rahmen des Projektes entstehende Computerarchitekturen und Technologien, könnten zu Anwendungen in der Robotik, der Sensorik, beim autonomen Fahren und in der Medizintechnik führen.
Forschungen an der TU Ilmenau
An der TU Ilmenau betreibt Prof. Martin Ziegler (stellvertretender Sprecher des SFB Neuroelektronik und Leiter des Fachgebiets Mikro- und Nanoelektronische Systeme der TU Ilmenau) seit 2014 die Forschergruppe „Memristive Bauelemente für neuronale Systeme“ und forscht zu bioinspirierter Elektronik. Er ist zuversichtlich, dass sich mit memristiven Bauelementen in Zukunft höchst energieeffiziente Systeme entwickeln lassen: „Wir werden in der Lage sein, die biologischen Paradigmen der Informationsverarbeitung, Lernen und Gedächtnisbildung, so präzise wie nie zuvor technisch nachzubilden und völlig neue Möglichkeiten für die Informationstechnik schaffen.“ Die TU Ilmenau ist am SFB Neuroelektronik mit drei Teilprojekten und drei Doktorandenstellen beteiligt.
Am SFB Neuroelektronik beteiligte Forschungseinrichtungen
- Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (Sprecherhochschule)
- Technische Universität Ilmenau
- Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg
- Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik Frankfurt/Oder
- Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaften und Mathematik Kiel
- Ruhr-Universität Bochum
- Technische Hochschule Lübeck
- Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf
- University College Cork, Irland
