09.12.2020

Elektronik nach biologischem Vorbild

Neuer SFB „Neuroelektronik“ nutzt memristive Bauelemente.

Die Deutsche Forschungs­gemeinschaft hat einen neuen inter­disziplinären Sonder­forschungsbereich mit Beteiligung der Technischen Universität Ilmenau bewilligt, in dem Elektronik entwickelt wird, die von der Biologie inspiriert ist. Die extrem energie­effiziente Hardware nutzt dabei Erkenntnisse, die von den Nervensystemen von Polypen, Quallen und Echsen abgeleitet werden. Die DFG fördert den SFB „Neuroelektronik: Biologisch inspirierte Informations­verarbeitung“ ab 2021 mit rund 11,5 Millionen Euro für vier Jahre.

Abb.: Basieren elek­tronische Bauteile heute auf Silizium, könnten in Zukunft...
Abb.: Basieren elek­tronische Bauteile heute auf Silizium, könnten in Zukunft biologisch inspirierte Kompo­nenten zum Einsatz kommen. (Bild: C. Gorke, TU Ilmenau)

Um die energie­effiziente Hardware zu entwickeln, übertragen 33 Wissenschaftler aus neun Forschungs­einrichtungen Erkenntnisse über die Informationswege in tierischen Nervensystemen auf die technische Informations­verarbeitung. Dabei bezieht der revolutionäre Forschungs­ansatz evolutions­biologische Mechanismen aus der Tierwelt wie das Zellwachstum mit ein. Dies soll in Zukunft Elektronik­systeme ermöglichen, die extrem 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 25 Watt. 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.

Kernbaustein der neuen Techno­logie sind elektronische Bauelemente, die über einen Gedächtni­seffekt verfügen: Solche memristiven Bauelemente sind in der Lage, den Verlauf elektrischer Signale zu speichern. Die Wissenschaftler wollen diese in Zukunft in dynamische Schaltungs­architekturen integrieren. Hier setzt die TU Ilmenau ihre Kompetenz ein und schlägt die Brücke zwischen Grundlagen­forschung und Anwendung. Bereits seit 2014 erforscht Martin Ziegler, stell­vertretender Sprecher des SFB Neuroelektronik in der Forschergruppe „Memristive Bauelemente für neuronale Systeme“ bio­inspirierte Elektronik. Ziegler 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.“ 

Bei der elek­tronischen Informations­verarbeitung Energie zu sparen, ist ein Gebot der Stunde. Die digitale Revolution der modernen Gesellschaft geht mit einer rasanten Steigerung des Energiebedarfs und damit des Kohlendioxid­ausstoßes einher. Die Hardware, die rund um den Globus in IT-Anwendungen eingesetzt wird, verbraucht schon heute ein Drittel der gesamten weltweit produzierten elektrischen Energie – Tendenz stark steigend: Wissen­schaftliche Hochrechnungen prognos­tizieren, dass schon in rund 15 Jahren die gesamte weltweite Produktion an elektrischer Energie nicht mehr ausreichen wird, um den Leistungs­bedarf der IT-Hardware zu decken. Biologisch inspirierte, extrem energie­sparende elektronische System werden helfen, die digitale Informations­verarbeitung voranzutreiben. Eine neue Generation von Computer­architekturen und Techno­logien, geboren aus dem SFB Neuro­elektronik, könnten unter anderem zu Anwendungen in der Robotik, der Sensorik, beim autonomen Fahren, aber auch in der Medizin­technik, etwa bei bionischen Prothesen, führen.

TU Ilmenau / JOL

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