Von der Natur lernen – für immer leistungsfähigere Technik
Adaption biologischer und technischer Systeme

Der technische Fortschritt ist unaufhaltsam: Doch noch immer gilt das menschliche Gehirn als effektivstes Datenverarbeitungssystem der Welt. Aus diesem Grund nehmen sich Ingenieure und Informatiker vor allem die Wahrnehmung und die Lernfähigkeit biologischer Systeme zum Vorbild. Mit teils hochtechnologisierten Methoden wollen sie gemeinsam mit Lebenswissenschaftlern und Psychologen Abläufe in natürlichen Systemen besser verstehen und nutzen.
Das Ziel der Forscherinnen und Forscher ist es, Ansätze aus der Biologie auf den technischen Bereich zu übertragen und andersherum. Beispiele an der Uni Ulm reichen von der Entwicklung künstlicher Intelligenz für Industrie 4.0 bis zur Genschere CRISPR-Cas.

Wüstenameise beim Tragen von Lasten (Foto:Institut für Neurobiologie)

Fördermittel
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Kooperationen
Smithsonian Tropical Research Institut (STRI)
Deutsches Krebsforschungszentrum (DKFZ)
Forschungszentrum Jülich
Weizmann Institute

Vielfältige Partnerschaften mit international führenden Universitäten und Forschungseinrichtungen in Europa und weltweit

Kontakt
Prof. Dr. Frank Kargl, Institut für Verteilte Systeme, Dekan der Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Informatik und Psychologie
Prof. Dr. Peter Dürre, Institut für Mikrobiologie und Biotechnologie, Dekan der Fakultät für Naturwissenschaften

Beteiligte Institute

Institut für Molekulare Endokrinologie der Tiere
Prof. Dr. Jan Tuckermann, Prof. Maja Vujic Spasic
Institut für Evolutionsökologie und Naturschutzgenomik
Prof. Dr. Simone Sommer, Prof. Dr. Manfred Ayasse
Institut für Systematische Botanik und Ökologie
Prof. Dr. Marian Kazda, Prof. Dr. Steven Jansen
Institut für Mikrobiologie und Biotechnologie
Prof. Dr. Peter Dürre, Prof. Dr. Bernhard Eikmanns
Institut für Neurobiologie
Prof. Dr. Harald Wolf
Institut für Proteinbiochemie
Prof. Dr. Markus Fändrich
Institut für Molekulare Botanik
Prof. Dr. Anita Marchfelder
Institut für Molekulare Genetik und Zellbiologie
Prof. Dr. Nils Johnsson
Institut für Pharmazeutische Biotechnologie
Prof. Dr. Dierk Niessing
Institut für Anorganische Chemie I
Prof. Dr. Sven Rau, Prof. Dr. Carsten Streb
Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie
Prof. Dr. Boris Mizaikoff, Prof. Dr. Kerstin Leopold
Institut für Experimentelle Physik
Prof. Dr. Othmar Marti, Prof. Dr. Kay-Eberhard Gottschalk
Institut für Biophysik
Prof. Dr. Jens Michaelis, Prof. Dr.-Ing. Christof Gebhardt
Institut für Neuroinformatik
Prof. Dr. Daniel Braun
Institut für Mess-, Regel- und Mikrotechnik
Prof. Dr.-Ing.  Klaus Dietmayer
Institut für Verteilte Systeme
Prof. Dr. Frank Kargl
Institut für Softwaretechnik und Programmiersprachen
Prof. Dr. Matthias Tichy
Institut für Datenbanken und Informationssysteme
Prof. Dr. Manfred Reichert
Abteilung für Angewandte Kognitionspsychologie
Prof. Dr. Marc Ernst
Abteilung für Klinische und Biologische Psychologie
Prof. Dr. Iris-Tatjana Kolassa
Abteilung Lehr-/Lernforschung
Prof. Dr. Tina Seufert

Enge interdisziplinäre Zusammenarbeit mit Instituten aus der Informatik, Psychologie, Medizin Mathematik und den Ingenieurwissenschaften

Umweltveränderungen haben Auswirkungen auf alle Lebewesen

Sowohl biologische als auch technische Systeme müssen sich an eine Umwelt anpassen, die sich ständig verändert. An der Fakultät für Naturwissenschaften wird die Adaption biologischer Systeme in den Teilbereichen Einzellige Organismen, Molekulare Gesundheit und Ecohealth erforscht. Dabei besteht ein enger Austausch mit der Medizin und zunehmend auch mit Technikdisziplinen.

Einzellige Organismen sind alles andere als primitive Lebewesen: Vielmehr verfügen sie über die erstaunliche Fähigkeit, sich an widrigste Umweltbedingungen anzupassen. Die molekularen Grundlagen dieser Wandlungsfähigkeit stehen im Mittelpunkt des Teilbereichs „Einzellige Organismen“ und haben die Genschere CRISPR-Cas möglich gemacht: Überleben die Mikroorganismen eine Virenattacke, bauen sie Informationen über den Angreifer in ihr Erbgut ein, um ihn bei der nächsten Attacke mit so genannten Cas-Proteinen zu zerschneiden. Dieses Prinzip wurde auf das so genannte „Genome Editing“ übertragen. Doch auch bei der DNA-Reparatur und der Verhaltenssteuerung spielt das „Bakterien-Abwehrsystem“ eine Rolle. Diese und weitere Funktionen ergründen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im DFG-Schwerpunktprogramm der Universität Ulm.

Grafische Darstellung CRISPR-Cas
Forschung zum System CRISPR-Cas
Platte mit Haloferax volcanii

Auch in komplexeren Organismen bildet das Zusammenspiel von Molekülen die Grundlage aller physiologischen Funktionen. Wird dieses ausgeklügelte Zusammenspiel durch Umwelteinflüsse oder auch traumatische Ereignisse und den Alterungsprozess „gestört“, muss sich das biologische System anpassen. Im Teilbereich molekulare Gesundheit erarbeiten Forscherinnen und Forscher deshalb ein systembiologisches Verständnis auf verschiedenen Ebenen – von atomaren Effekten über zellbiologische Prozesse und Gewebeintegrität bis zur systemischen Kontrolle durch Hormone und neuronale Verarbeitung. Im Bereich molekulare Fehlsteuerungen wird an der Universität Ulm schwerpunktmäßig zur Neurodegeneration und zu Proteinfaltungskrankheiten sowie zu Stoffwechselerkrankungen geforscht. Dabei besteht ein ergiebiger Austausch mit den strategischen Entwicklungsbereichen Alterns-  und Traumaforschung sowie beispielsweise mit dem Sonderforschungsbereich zur Peptidforschung. Bindeglied zur klinischen Anwendung ist das Kooperative Promotionskolleg „Pharmazeutische Biotechnologie“ mit der Hochschule Biberach, das auf dem gemeinsamen Masterstudiengang basiert. Das Promotionskolleg ist Teil der „exzellenten“ Internationalen Graduiertenschule Molekulare Medizin und bildet hervorragende Nachwuchskräfte für die Wissenschaft und die Bioregion Ulm mit ihren zahlreichen Pharma- sowie Biotechunternehmen aus.

Struktur einer Alzheimer-Fibrille

Tierfitness auf der Alb und in Panama

Das große Ganze nimmt hingegen der Teilbereich „Ecohealth“ in den Blick. Dabei wird die Interaktion von Organismen in einem Ökosystem erforscht. Ziel ist es zu verstehen, wie sich die Auswirkungen von Klimaveränderungen und anderen Eingriffen in den natürlichen Lebensraum auf die Gesundheit von Wildtieren, Nutztieren, Pflanzen und Menschen sowie auf die Nachhaltigkeit natürlicher Ressourcen auswirken. „Die Folgen können gravierend sein: Beispielsweise führen eine veränderte Landnutzung und Lebensraumzerstörung zu deutlich mehr Kontakten von Wild- und Nutztieren mit dem Menschen. Dies kann die Entstehung und rasche Verbreitung neuer Krankheiten begünstigen“, erklärt die Direktorin des Instituts für Evolutionsökologie und Naturschutzgenomik, Professorin Simone Sommer. Beispiele für Erreger, die vom Tier auf den Menschen übergegangen sind („Zoonosen“), reichen von HIV über Hantaviren bis zu Zika. Allerdings sind etliche Tierarten auch wahre Lebenskünstler und haben sich dem Menschen und einem urbanen Lebensraum perfekt angepasst. Die organismischen und genomweiten Grundlagen von Gesundheit und Fitness der Tiere werden im Freiland und an der Universität Ulm in hochtechnologierten Laboren untersucht. Dabei stammen die Proben sowohl aus gemäßigten wie auch tropischen Lebensräumen, beispielsweise aus dem Biodiversitätsexploratorium Schwäbische Alb oder etwa aus dem Langzeitprojekt mit dem Smithsonian Tropical Research Institute in Panama.

Sbilineata - Fledermaus (Foto: Schneeberger)
Fledermäuse: Ein Schwerpunkt der Ulmer Biologen
Schabrakenschakal (Foto: Institut für Evolutionsökologie und Naturschutzgenomik)
Schabrakenschakal in Namibia
HIV-infizierte Zellen (Abbildung: Institut für Mol. Virologie)
HIV-infizierte Zellen

Technik, die mitdenkt

Wie lassen sich diese herausragenden Fähigkeiten zur Anpassung biologischer Systeme, allen voran durch Wahrnehmung und Lernen, auf technische Systeme übertragen? Beste Bedingungen für die Adaption technischer Systeme bietet die Universität Ulm: Psychologie, Informatik und Elektrotechnik sind in einer Fakultät angesiedelt und arbeiten dementsprechend eng zusammen. So werden am Institut für Psychologie und Pädagogik nicht nur die Grundlagen menschlicher Kognition erforscht. Im Schwerpunkt „Mensch-Technik“, aber auch im Forschungsgebiet „Hochautomatisiertes Fahren“ , arbeitet ein interdisziplinäres Team explizit an der Verbesserung nutzer- und umweltbezogener Fähigkeiten von technischen Systemen.

Wichtige Grundlagen hierfür sind im Sonderforschungsbereich/TRR 62 „Eine Companion Technologie für kognitive technische Systeme“ erarbeitet worden. Sei es für die Software, die sich bei schwankenden Lasten, veränderten Anforderung oder Fehlern adaptiert oder für das Smartphone und den „Pflegeroboter“, die sich den Lebensumständen und Vorlieben ihrer Nutzer anpassen. Natürlich sammeln auch hochautomatisierte Fahrzeuge, wie sie rund um die Universität Ulm unterwegs sind, ständig Informationen über ihre Umwelt und richten ihre Aktionen über komplexe Regelungs- und Steuerungsverfahren danach aus. Die Adaption auf technischer Ebene, beispielsweise durch Rekonfigurationen und Regelungen, ist auch Thema des neuen Informatik-Schwerpunkts „Large-Scale Software Systems“ (LS3), der gerade aufgebaut wird. Da große vernetzte Softwaresysteme kaum mehr zentral verwaltet werden können, wäre eine selbständige Anpassung an Nutzerwünsche und die Umgebung eine entscheidende Verbesserung.

Foto: Eberhardt/Uni Ulm

Vom menschlichen Gehirn lernen

Von diesem Forschungsumfeld profitiert unter anderem auch das Institut für Neuroinformatik, dessen Direktor einen ERC Starting Grant und ein Emmy Noether-Projekt an die Universität Ulm mitgebracht hat. Mit dem Ziel, die menschliche Informationsverarbeitung in ihrer Robustheit und Adaptivität zu verstehen und für die Entwicklung künstlicher Intelligenz nutzbar zu machen, werden am Institut unterschiedlichste Methoden angewandt – von theoretischen Analysen über Computersimulationen künstlicher Lernsysteme bis zu Experimenten mit menschlichen Probanden in virtueller Realität und mit Robotern. Im Zuge des Neurorobotik-Programms der Stiftung Baden-Württemberg helfen Letztere den Wissenschaftlern beispielsweise dabei, neuromorphe Algorithmen zu testen, die der menschlichen Wahrnehmung nachempfunden sind. Ziel ist eine effektive Verarbeitung von auditiven und visuellen Sensorströmen für die räumliche Orientierung und Navigation.

Der Transfer von der grundlagenorientierten Forschung in die Praxis gelingt unter anderem im Kooperativen Promotionskolleg „Cognitive Computing in Socio-Technical Systems“: In diesem Kolleg bündeln Universität und Hochschule Ulm ihre Expertise, um die Mensch-Roboter-Interaktion zu verbessern. Ziel ist auch eine effektive Steuerung der Logistik und Produktion in Zeiten von Industrie 4.0.

„Der Strategische Entwicklungsbereich Adaption biologischer und technischer Systeme ist noch jung, hat jedoch viel Potential“, sind sich Professor Peter Dürre, Dekan der Fakultät für Naturwissenschaften und Dekan Professor Frank Kargl (Fakultät für Ingenieurswissenschaften, Informatik und Psychologie) schon jetzt einig. Interdisziplinarität wird an der Universität Ulm seit ihrer Gründung groß geschrieben – dementsprechend reichen sich vor allem Naturwissenschaftler und technisch ausgerichtete Forscher in diesem Schwerpunkt die Hand.

Neurorobotik-Programm an der Uni Ulm (Foto: Eberhardt/Uni Ulm)
Neurorobotik-Programm an der Uni Ulm