Adaption biologischer und technischer Systeme

Ecohealth: Das Zusammenwirken von Lebewesen in Ökosystemen

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.

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.

Vom menschlichen Gehirn lernen

Von diesem Forschungsumfeld profitiert unter anderem auch das Institut für Neuroinformatik, dessen Direktor unter anderem einen ERC Starting Grant 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 Ingenieure und Naturwissenschaftler 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.

Fotos: Elvira Eberhardt, Festo AG & Co. KG, Heiko Grandel, Institut für Proteinbiochemie, Sebastian Menke, Dr. Thomas Püttker, Hans Schwenninger, Andrea Weber-Tuckermann