Smart Sensing – Innovative Anwendungen und Technologien für intelligente Sensorsysteme

Leistungsfähige Sensortechnologien sind in vielen Forschungs- und Entwicklungsbereichen sehr gefragt: ob in der Umweltanalytik, der Pharmazie und Biomedizin, beim autonomen Fahren oder der Automatisierung industrieller Prozesse. An der Universität Ulm forschen Wissenschaftler über die Fakultäts- und Fachbereichsgrenzen hinweg an innovativen messtechnischen Lösungen. Dabei geht es zum einen um die Erschließung neuer Anwendungsfelder, zum anderen um den Einsatz neuartiger Materialien und Technologien.

Beteiligte Institute

Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen
Prof. Dr.-Ing. Hermann Schumacher, Prof. Dr.-Ing.  Steffen Strehle
Institut für Mikroelektronik
Prof. Dr.-Ing. Maurits Ortmanns, Prof. Dr. Albrecht Rothermel
Institut für Mikrowellentechnik
Prof. Dr.-Ing. Christian Waldschmidt, Prof. Dr.-Ing. Christian Damm
Institut für Mess-, Regel- und Mikrotechnik
Prof. Dr.-Ing. Klaus Dietmayer, Prof. Dr.-Ing. Kurt Graichen
Institut für Mikro- und Nanomaterialien
Prof. Dr. Hans-Jörg Fecht, Prof. Dr. Ulrich Herr, Prof. PhD Carl Krill
Institut für Nachrichtentechnik
Prof. Dr.-Ing. Martin Bossert, Prof. Dr. Dr. Wolfgang Minker, Prof. Dr. Robert Fischer
Institut für Optoelektronik
Prof. Dr. Ferdinand Scholz, Prof. Dr. Peter Unger
Institut für Organisation und Management von Informationssystemen
Prof. Dr.-Ing. Stefan Wesner
Institut für Datenbanken und Informationssysteme
Prof. Dr. Manfred Reichert
Institut für Eingebettete Systeme/Echtzeitsysteme
Prof. Dr.-Ing. Frank Slomka, Prof. Dr. Michael Glaß
Institut für Medieninformatik
Prof. Dr. Timo Ropinski, Prof. Dr. Enrico Rukzio, Prof. Dr.-Ing.  Michael Weber
Institut für Neuroinformatik
Prof. Dr. Dr. Daniel Alexander Braun, Prof. Dr. Heiko Neumann
Institut für Verteilte Systeme
Prof. Dr. Frank Kargl, Prof. Dr. Franz Hauck
Abteilung Angewandte Kognitionspsychologie
Prof. Dr. Marc Ernst
Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie

Prof. Dr. Boris Mizaikoff

Was ist Sensorik?

Sensorik bedeutet im Prinzip nichts anderes als die Erfassung, Signalisierung und Digitalisierung eines sich verändernden Zustandes. Dabei geht es entweder um die Feststellung bestimmter Objektmerkmale oder um die Identifikation spezieller Stoffe - wie chemische Substanzen oder Biomoleküle. Nicht-elektrische Messgrößen - wie physikalische oder chemische Eigenschaften - werden bei diesem Vorgang in elektrische Signale umgewandelt, die über die entsprechenden Datenverarbeitungssysteme erfasst, ausgewertet und weitergeleitet werden.

Die Ulmer Forschung in diesem Bereich überschreitet Fachbereichs- und Fakultätsgrenzen

Für die Leistungsfähigkeit eines sensorischen Systems ist nicht nur die generelle Detektionstechnologie entscheidend, welche die Sensitivität und Selektivität des Sensors grundlegend bestimmt, sondern auch die Konstruktionsweise und Leistungsfähigkeit der Datenverarbeitungssysteme, in welche die eigentliche Sensortechnik eingebettet ist. Deshalb forschen an der Universität Ulm Ingenieure, Naturwissenschaftler und Informatiker gemeinsam an der Entwicklung innovativer und leistungsfähiger Sensor-Systeme.

Während sich Ingenieure, Chemiker und Physiker um die Realisierung und Weiterentwicklung von Detektions- und Signalverarbeitungsverfahren kümmern, widmen sich Spezialisten aus der Informatik den Herausforderungen bei der Datenintegration und -verarbeitung. Denn die enormen Mengen an Echtzeitdaten, die komplexe Sensorsysteme produzieren, müssen zeitnah ausgewertet und an bestimmte Endgeräte weitergeleitet werden. Die Lebenswissenschaften haben in diesem Forschungsbereich ebenfalls ihren Platz. Ulmer Biologen, Mediziner und Psychologen sondieren medizinische Anwendungsmöglichkeiten und wissenschaftlich ergiebige Einsatzgebiete.

Nanotechnologien und Quanteneffekte für Biosensoren

Mit Hochdruck arbeiten Ulmer Forscher an intelligenten Lösungen für neue biomedizinische Herausforderungen. Enormes Innovationspotential für die Entwicklung von Biosensoren verspricht die Nutzung besonderer physikalischer Effekte und Eigenschaften wie der Quantenmechanik. Ob beim hochsensiblen Diamantsensor oder der damit verbundenen Quantenmikroskopie: Molekulare Prozesse lassen sich damit in lebenden Zellen auf atomarer Ebene sichtbar machen. Vielversprechend ist auch die Miniaturisierung von Sensorsystemen durch die Verwendung von innovativen Nanomaterialien und -technologien. Davon profitieren insbesondere Anwendungen in der Biomedizin. So arbeitet ein Forscherteam an der Entwicklung halbleiterbasierter, optisch ausgelesener Miniatursensoren für eine patientennahe Labordiagnostik. Damit könnten sowohl Gase als auch Biomoleküle detektiert und die Messergebnisse per Funk an den Patienten oder sogar direkt an den Arzt weitergeleitet werden.
Zum Nachweis von Spurengasen in der Atemluft haben Ulmer Wissenschaftler ein spezielles Verfahren (µbreath) entwickelt, mit dem sich mehrere Gase gleichzeitig infrarotspektroskopisch nachweisen lassen. Damit sollen molekulare Fingerabdrücke gefunden werden, die als Biomarker auf bestimmte Krankheiten hinweisen. Eine andere biomedizinische Anwendung haben intelligente Chips für neurotechnologische Implantate. Diese miniaturisierten elektronischen Bauelemente können beispielsweise als Retina-Implantate eingesetzt werden, um die Sehkraft von Menschen mit Sehbehinderungen zu verstärken. Sie funktionieren aber auch als biochemische Stressmesser sowie als stimulierende Neuromodulatoren für Hirn-Computer-Schnittstellen.

Alltagspraktische Anwendungen für Ulmer Entwicklungen gibt es im Bereich Umweltanalytik und Lebensmittelsicherheit. So haben Chemiker der Universität ein portables Analysegerät (Mycospec) entwickelt, mit dem sich Schimmelpilzgifte auf Lebensmitteln messen lassen, und zwar vor Ort im Geschäft oder direkt beim Hersteller. Die Wissenschaftler setzen dabei auf eine modifizierbare, Quantenlaser-basierte Spektroskopie-Technologie.

Von der industriellen Fertigung bis zur Doktorandenausbildung

Ulmer Forscher arbeiten zudem an Verfahren zur Massenproduktion von maßgeschneiderten Nanosensoren. Damit soll es möglich werden, Sensoren, die mit Hilfe von halbleitenden Nanodrähten detaillierte Einblicke in die Zellen geben, kostengünstig und in großer Stückzahl zu fertigen. Die Sensorentwicklung ist zudem Gegenstand der interdisziplinären Doktorandenausbildung. Im Graduiertenkolleg PULMOSENS erforschen Mediziner, Naturwissenschaftler und Ingenieure gemeinsam die Funktion von Lungengewebe. Dabei setzen die Wissenschaftler auf innovative sensorische Methoden, um die im Lungenepithel ablaufenden Prozesse zu untersuchen und sichtbar zu machen.

Intelligente Hochleistungssensorsysteme für die Automatisierung und Robotik

Technische Anwendungen von intelligenten Sensortechnologien sind insbesondere dort gefragt, wo es um die Überwachung, Regelung und Steuerung automatisierter Abläufe geht, beispielsweise in der industriellen Massenproduktion. Die Automatisierung wirtschaftlicher Wertschöpfungsprozesse im Kontext von Industrie 4.0 ist ohne Hochleistungsmesstechnik nicht realisierbar. Dabei kommen beispielsweise laserbasierte optoelektronische Detektionsverfahren zum Einsatz oder auch radarbasierte Hochfrequenz-Sensor- und Kommunikationssysteme (Radar). Zahlreiche Institute forschen an der Universität Ulm auf diesem Gebiet.  

Besondere Herausforderungen stellen zudem Anwendungsgebiete wie das autonome Fahren oder Fliegen dar, für das Unmengen hochgenauer Daten in Echtzeit verarbeitet werden müssen. Ulmer Ingenieure und Informatiker haben dafür intelligente Hochleistungssensor- und Datenverarbeitungssysteme entwickelt, die in der Lage sind, in hochautomatisierten Fahrzeugen sowie in selbstnavigierenden Drohnen Entfernungen, Abstände und Geschwindigkeiten zuverlässig und robust zu erfassen. Auch für die Gestenerkennung im Bereich Mensch-Maschine-Interaktion oder das Aufspüren von Personenminen werden in Ulm "Smart Sensing"-Technologien genutzt.

Die menschliche Wahrnehmung als Vorbild

In Zukunft sollen außerdem kompostierbare und kostengünstige Sensorsysteme hergestellt werden können, die insbesondere in der medizinischen Diagnostik und Umweltanalytik wertvolle Dienste leisten könnten, und das Ganze umweltfreundlich und ressourcenschonend. Um Energie und Aufwand bei der Informationsverarbeitung zu sparen, arbeiten Ulmer Wissenschaftler schon jetzt mit natürlichen Materialien und biologischen Vorbildern. So forschen Ingenieure der Uni bereits zu Bauelementen aus Chitosan, das unter anderem aus Insektenpanzern gewonnen werden kann. Andere Wissenschaftler nehmen sich die menschliche Wahrnehmung für eine effektive Signalverarbeitung zum Vorbild. Denn eines der besten und effektivsten Sensorsysteme in puncto Datenintegration ist noch immer Mensch.