Von der Natur lernen: Forscher entwickeln erste selbstorganisierende Elektronikkomponenten

Dem Team um Prof. Peter Hofmann am Competence Center Elektrik/Elektronik-Architektur (EE-Architektur) der TU Dresden ist es gelungen, die ersten selbstorganisierenden Elektronik-Komponenten zu entwickeln. Diese so genannten autonomen Einheiten stellen die Basis für komplexe technische Systeme der Zukunft dar. Dazu haben sich die Wissenschaftler das Wissen komplexer Systeme aus der Natur zu Eigen gemacht.

Organismen sind nach dem Baukastenprinzip aufgebaut. Eine Pflanze besteht aus unzähligen kleinen Zellen. Die Zellen bilden Gewebe, die Gewebe Organe, die Organe den Organismus. Sterben einzelne Zellen ab, funktioniert der Organismus weiter. Denn die Zellen stehen zwar in Wechselwirkung mit den Nachbarzellen, jede einzelne Zelle ist jedoch hinsichtlich ihrer Funktion autonom. Notfalls können sogar andere Zellen einspringen und eine Ersatzfunktion übernehmen.

Mit großem Erstaunen beobachten Ingenieure, wie sich scheinbar mühelos natürliche Systeme an neue Begebenheiten anpassen. Beispielsweise wie ein Ameisenvolk immer den kürzesten Weg zwischen Futterstelle und Ameisenhaufen findet, ohne eine zentrale Ordnung zu besitzen. Ebenso faszinierend sind die Mechanismen, die im menschlichen Organismus stattfinden. Das betrifft beispielsweise verletzte Hautzellen oder ganze Organe, die sich nach einem Unfall wieder regenerieren.

Diese speziellen Eigenschaften natürlicher Systeme haben alle eines gemeinsam: Sie finden aus sich selbst heraus statt. Es gibt keine zentrale Instanz, die sie dazu anleitet.

Genau hier setzt die Forschungsarbeit des Competence Centers an der TU Dresden an. Ziel ist es, technische Systeme zu entwickeln, die selbstorganisierende Eigenschaften aufweisen und Lösungskonzepte zu erarbeiten, wie derartige Systeme praktisch angewendet werden können. Ein interessanter Anwendungsbereich, dem sich die Forscher des Competence Centers besonders intensiv widmen, ist die Automobilindustrie.

„Organic Computing“ heißt der Fachbegriff dafür, wenn die Natur der Technik zum Vorbild wird.

Das Competence Center EE-Architektur der TU Dresden hat zunächst die physikalischen und biologischen Grundprinzipien der Selbstorganisation analysiert und für die Anwendung in technischen Systemen abstrahiert. Im folgenden Schritt wurden die Struktur und die Aufgaben der zur Selbstorganisation fähigen Einheiten beschrieben. Dabei wird jedem einzelnen Systemelement eine Autonomie verliehen, die es in die Lage versetzt mit den anderen Systemeinheiten zu kommunizieren und auf der Grundlage dieser Kommunikation so zu kooperieren, dass die gewünschte Zielfunktionalität erfüllt wird.

Das heißt, es wird nicht von vorn herein die Kommunikation eines bestimmten Elementes mit einer bestimmten Steuerung festgelegt, sondern die Steuerung kann auf Impulse verschiedener Elemente reagieren. Fällt also ein Steuerungsteil aus, kann eine andere Steuerung ein neues Element mit aufnehmen und seine Funktion übernehmen. Demzufolge wäre es möglich, beim Ausfall des Schalters für den elektrischen Fensterheber nach einer Rekonfiguration die Scheibe mit einem beliebigen anderen Schalter zu öffnen, da dieser Knopf eine neue Funktion dazu gelernt hat.

„August 1“ heißt der einem Automobil nachempfundene Versuchsträger, auf dem die Funktionsweise von dezentralen elektronischen Systemen aktuell erprobt wird. Die Wissenschaftler um Professor Peter Hofmann wollen herausfinden, wie die einzelnen Steuergeräte sich autonom – also unabhängig von anderen Systemen organisieren lassen. Das hat den Vorteil, dass beispielsweise jedes Rad einzeln gesteuert und angetrieben werden kann. Man hofft, die Elektronik in Autos mit dieser dezentralen Funktionsweise dadurch noch zuverlässiger zu machen. Außerdem sind dezentral organisierte Systeme sehr stabil und in der Lage sich an Veränderungen durch die Außenwelt dynamisch anzupassen. In der Technik wird dieses Prinzip bisher nur in vereinfachter Form bei Computern angewendet. An einen USB-Anschluss können verschiedene externe Geräte angeschlossen werden, die der Computer erkennt, akzeptiert und integriert.

Das Competence Center EE-Architektur wurde 2002 gegründet und ist organisatorisch an der Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“ der TU Dresden angesiedelt.