Technische Fakultät

Der TRR 318 wird verlängert!

Technische Fakultät — Mon, 15 Dec 2025 12:40:56 +0100

Der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Sonderforschungsbereich/Transregio „Constructing Explainability“ (TRR 318) an den Universitäten Bielefeld und Paderborn geht im Januar 2026 in seine zweite Förderphase. Die DFG gab am 21. November bekannt, dass sie das interdisziplinäre Forschungsnetzwerk zum Thema „Soziale Künstliche Intelligenz“ nach einer sehr erfolgreichen ersten Laufzeit von viereinhalb Jahren um weitere dreieinhalb Jahre verlängern wird. Dafür wurden rund 14 Millionen Euro bewilligt.

Goldmedaille für das Bielefelder iGEM-Team

Technische Fakultät — Mon, 4 Dec 2023 13:34:15 +0100

Ein studentisches Forschungsteam der Universität Bielefeld entwickelte eine neuartige Behandlungsmethode zur Bekämpfung von Krebs und nahm damit im November am größten internationalen Wettbewerb der synthetischen Biologie teil. Mit ihrem Projekt sind die Bielefelder Bachelor- und Masterstudierenden zusammen mit mehr als 400 internationalen Teams beim Grand Jamboree des international Genetically Engineered Machine (kurz: iGEM) Wettbewerbs in Paris angetreten. Die Jury zeichnete das Bielefelder ASTERISK*-Projekt mit einer Goldmedaille aus.

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CITEC renews its profile and organizational structure.

Technische Fakultät — Wed, 19 Jul 2023 12:09:12 +0200

Making the interaction with A.I. and future intelligent systems truly human-compatible – this is and always has been the mission of the Center for Cognitive Interaction Technology (CITEC).

Now CITEC has taken on a new research profile and organizational structure. The responsibility of coordinating CITEC has been handed over to Philipp Cimiano, as speaker, and Stefan Kopp, as co-speaker. Holding on to CITEC’s established interdisciplinary infrastructure and research values, they aim to adapt to the advances of the rapidly growing field of Artificial Intelligence and the resulting societal impacts.

CITEC’s overarching research topic ‘Human-Aware Cognitive Systems in Open Worlds’ is approached through interdisciplinary collaboration and projects in five core research areas, namely, ‘Learning in Interaction’, ‘Multimodal Cognition and Communication’, ‘Socially Intelligent Agents’, ‘Trustworthy and Sustainable AI’ and ‘Embodied Cooperative Systems’.

Philipp Cimiano puts this mission in a nutshell: „The future cognitive and AI systems that we envision will be trustworthy and reliable partners. Beyond being limited to perform narrow tasks in pre-defined environments, they will be able to adapt to changing environments, user contexts and humans needs. For this we need to equip them with the ability to understand and recognize human needs, requirements of a situation and translate this understanding into corresponding actions. Developing the foundations for this vision is our mission.”

This strategical reorientation is also made visible in the renewed website at cit-ec.de. CITEC has transformed the application-oriented part of its research agenda into Innovation Labs that represent different application fields. Therefore, CoR-Lab – which has been an own 16-year-old success story in the cooperation between industry and academics – joins forces with CITEC in a first Innovation Lab on human-centered automation for sustainable workplaces. As a second Innovation Lab, the COSY@Home-Lab was founded, incorporating long-standing activities in home assistance systems and home robotics. Philipp Cimiano already sees further application fields for cognitive interaction technology: “Our innovation labs will enable us to translate our fundamental research results into areas where they can unfold impact at industrial and societal level. A key application field for CITEC will be the development of assistive systems in the medical field, supporting both patients as well as medical and care personnel.” Thus, CITEC proceeds to new horizons and new frontiers in research as well as application fields.

CITEC was established in 2007 as part of the Excellence Initiative funded by the Federal and State Governments and, since 2020, it has been continued as a central academic institute of Bielefeld University. For more than a decade, CITEC has been an international hallmark of research, exploring the underlying technical and biological foundations of how agents cognitively interact with their environment and with other agents. From the very beginning, this has been an interdisciplinary endeavor, yielding many-faceted findings, such as understanding the control of eye movements even in blind performances in tasks like speed stacking, or developing physical training methods that consider the memory structure of individual trainees. Further research topics include the investigation of the adaptive control mechanisms of walking stick insects, the impacts of gender on human attribution to humanoid robot heads or understanding tactile grasping strategies of human and robotic hands, to name a few.

It is only through the close cooperation of computer science, artificial intelligence, cognitive science, linguistics, psychology, biology, and mathematics that such a variety of results in such different application fields has been possible. Helge Ritter as the former speaker and coordinator of the Cluster of Excellence, together with Britta Wrede as a former co-speaker, have been warrantors of this successful interdisciplinary approach for many years. Now, there are new interdisciplinary challenges ahead.

Mensch-Roboter-Kollaboration in der Zukunft

Technische Fakultät — Thu, 6 Jul 2023 15:38:06 +0200

Ein Kick-off-Workshop zum Projektstart von „Hybrid-Living“ hat Ende Juni alle Projektpartner*innen aus Forschung und Industrie am Forschungszentrum CITEC zusammengebracht, die sich in den nächsten drei Jahren der Fragestellung widmen, wie ein Roboter in der Küche unterstützen kann. Als Teil des Spitzenclusters it’s OWL wird das Projekt vom Land Nordrhein-Westfalen 1,04 Millionen Euro gefördert. Davon entfallen jeweils je 276.000 Euro auf drei Teilprojekte an der Universität Bielefeld, die in den Forschungsbereichen Neuroinformatik und digitale Linguistik angesiedelt sind.

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https://bit.ly/3O1P4kN

Startschuss für KI-Forschungsprojekt SAIL gefallen

Technische Fakultät — Wed, 10 May 2023 17:14:03 +0200

Künstliche Intelligenz (KI) ist in unserer Gesellschaft allgegenwärtig. Mit einer Kick-off-Veranstaltung in der Zukunftsmeile 2 der Universität Paderborn fiel im März der offizielle Startschuss für das Forschungsnetzwerk SAIL, in dem Wissenschaftler*innen Grundlagen für eine nachhaltige Gestaltung von KI-Komponenten entwickeln. „Wir sind stolz darauf, Teil eines so großen und vielversprechenden Projekts zu sein. SAIL ist ein gutes Beispiel für die gelungene und erfolgreiche Zusammenarbeit im Campus OWL. Es bestätigt die herausragende Forschung, die wir im Bereich der künstlichen Intelligenz leisten“, so Prof. Dr. Johannes Blömer, Vizepräsident für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs der Universität Paderborn.

Rund 90 Wissenschaftler*innen gehören dem auf vier Jahre angelegten Verbundprojekt an, das die nordrhein-westfälische Landesregierung mit bis zu 14,8 Millionen Euro fördert. Sie erforschen, wie KI-Systeme über einen langen Produktlebenszyklus nachhaltig, transparent, sicher und ressourcensparend arbeiten können. In dem interdisziplinären Netzwerk kooperieren die Universität Paderborn, die Universität Bielefeld, die Hochschule Bielefeld (HSBI) sowie die Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe (TH OWL). SAIL steht für „SustAInable Life-cycle of Intelligent Socio-Technical Systems“ (dt.: Nachhaltiger Lebenszyklus intelligenter soziotechnischer Systeme). „ChatGPT hat eine breite Diskussion über künstliche Intelligenz ausgelöst. KI erhält eine immer größer werdende Relevanz, erfordert dabei jedoch auch eine hohe Sensibilität im Umgang mit ihr. SAIL steht als Erfolg für eine vertrauensvolle Zusammenarbeit, um die Entwicklung von KI unter den gesellschaftlichen Anforderungen weiter voranzutreiben“, lobt Professorin Dr. Angelika Epple, Prorektorin für Forschung und Internationales der Universität Bielefeld, die Kooperation der Verbundpartner*innen.

Menschliche Selbstbestimmung erhalten

Ziel des Netzwerks ist es, Grundlagen für eine nachhaltige Gestaltung von KI-Komponenten zu entwickeln und dabei zugleich die menschliche Selbstbestimmung zu erhalten. „KI verändert fast alle Aspekte des menschlichen Lebens. Sie beeinflusst nicht nur das individuelle menschliche Verhalten, sondern auch gesellschaftliche Normen und Strukturen. Aktuell stehen wir jedoch vor Herausforderungen wie fehlerhaften Systemen, erschöpften Ressourcen und kognitiven Belastungen“, erläutert die Koordinatorin des Forschungsnetzwerks Profesorin Dr. Barbara Hammer von der Universität Bielefeld. Stellvertretender Koordinator ist Professor Dr. Axel-Cyrille Ngonga Ngomo vom Institut für Informatik der Universität Paderborn.

Die Mitglieder des Forschungsnetzwerks SAIL freuen sich über den Projektstart.

Einblicke in die interdisziplinäre Forschung

Um den gesellschaftlichen, kognitiven und technischen Anforderungen der Systeme zu entsprechen, ist das Netzwerk interdisziplinär aufgestellt. Wissenschaftler*innen aus den Bereichen Informatik, Ingenieur-, Geistes- und Sozialwissenschaften gaben bei der Kick-off-Veranstaltung in kurzen Vorträgen Einblicke in die vielfältige Forschung.

Jun.-Prof. Dr. Sebastian Peitz vom Institut für Informatik der Universität Paderborn referierte über die Simulationen von komplexen physikalischen Systemen und wie sich diese durch die Methode des bestärkenden Lernens effizient kontrollieren lassen. „Das Ausnutzen von Systemwissen sowie eine darauf basierende, kluge Auswahl der Trainingsdaten reduzieren die Lernphase der KI sowie die rechnerische Komplexität deutlich“, so Peitz.

In dem Vortrag von Prof’in Dr. Sina Zarrieß von der Universität Bielefeld ging es um den sprachlichen Stil der Mensch-KI-Kommunikation. Prof. Dr.-Ing. Martin Kohlhase von der Hochschule Bielefeld sprach über nachhaltige KI aus Sicht der industriellen Anwendung und Prof’in Dr. Hanna Drimalla von der Universität Bielefeld erläuterte ihre Forschung, die sich damit beschäftigt, durch eine KI nonverbale Stressindikatoren zu erkennen.

Prof’in Dr. rer. nat. Helene Dörksen von der TH OWL forscht an einem KI-Verfahren zur Geschlechtsbestimmung von Hühnerembryonen, bei dem durch einen Laser geschlechtsspezifische Substanzen noch im Ei anfangen zu leuchten. Eine KI verarbeitet die daraus resultierenden Daten und kann dadurch das Geschlecht bestimmen.

Im Vortrag von Jun.-Prof’in Dr. Ilona Horwath von der Universität Paderborn ging es um Prozesse der sozialen Inklusion und Exklusion in hybriden Kontexten. Die Wissenschaftlerin beschäftigt sich unter anderem mit der Frage, wie gesellschaftliche Einrichtungen KI fair und vertrauenswürdig implementieren und nutzen können.

In einer Keynote sprach Dr. Thomas Bürger vom Unternehmen Weidmüller Interface GmbH & Co. KG über den Transfer der KI-Forschung in die Industrie, um Daten für die Wertschöpfung zu nutzen.

Weitere Informationen gibt es auf der Webseite des Forschungsnetzwerks

Wer von den Möglichkeiten profitiert, die KI bietet

Technische Fakultät — Mon, 17 Apr 2023 14:30:36 +0200

Ob Smart Home, Musik- und Videostreaming, Navigation oder Gesichtserkennung: Künstliche Intelligenz (KI) wirkt vielfach in den Alltag hinein. Doch wie transparent sind KI-Systeme und wie werden Unternehmen kontrolliert, die sie produzieren? Damit befasst sich Professorin Dr. Joanna Bryson von der Hertie School in Berlin. Einblicke in ihre Forschung dazu gibt die Expertin für Ethik und Technologie am kommenden Donnerstag, 20. April, ab 16 Uhr, in einem hybriden Vortrag via Zoom und in Präsenz im CITEC-Gebäude der Universität Bielefeld (Raum 1.204). Die Veranstaltung gehört zu der Reihe „Co-Constructing Intelligence“ (Ko-Konstruktion von Intelligenz), einem Angebot der Universitäten Bielefeld, Bremen und Paderborn. Die Teilnahme an dem englischen Vortrag ist kostenlos. Eine Anmeldung ist nicht erforderlich.

Hier geht es zum vollständigen Artikel im Aktuell-Blog:

https://aktuell.uni-bielefeld.de/2023/04/17/wer-von-den-moeglichkeiten-profitiert-die-ki-bietet/

„Inklusive Ko-Konstruktion sozialer Signale des Verstehens“: Neues Teilprojekt im Transregio-Sonderforschungsbereich „Erklärbarkeit konstruieren“ (TRR 318) gestartet

Technische Fakultät — Wed, 25 Jan 2023 12:27:11 +0100

Wenn sich Menschen einander etwas erklären, beobachten sie oft die Signale von Unverständnis bei ihrem Gegenüber, um ihre Erklärung gegebenenfalls anzupassen. Dieses Verfahren wollen Wissenschaftler*innen in einem neuen Teilprojekt des Transregio-Sonderforschungsbereichs „Erklärbarkeit konstruieren“ (TRR 318) auch in Maschinen ermöglichen. Doch in der Interaktion von Mensch und Maschine birgt der Ansatz Tücken. Kristina Nienhaus stellt drei Fragen an die Projektleiterin Junior-Professorin Dr. Hanna Drimalla von der Technischen Fakultät der Universität Bielefeld.

Hier geht es zum vollständigen Artikel im Aktuell-Blog: https://aktuell.uni-bielefeld.de/2023/01/25/erklaeren-ist-immer-eine-zweiseitige-sache/

Effizienter ernten mit intelligentem Sensornetzwerk

Technische Fakultät — Mon, 23 Jan 2023 13:55:30 +0100

Wie kann der Ernteprozess eines Mähdreschers besser überwacht werden? Wie kann die maschinenführende Person entlastet werden? Mit diesen Fragen beschäftigten sich Wissenschaftler des Forschungsinstituts für Kognition und Robotik (CoR-Lab) der Universität Bielefeld und des Landmaschinenherstellers CLAAS in Harsewinkel (Kreis Gütersloh). Sie forschten dazu gemeinsam im Innovationsprojekt „Intelligentes Sensornetzwerk zur Ermittlung von Prozessgrößen“ (InSensEPro) des Spitzenclusters Intelligente Technische Systeme Ost-WestfalenLippe (it’s OWL). Mitte Januar kamen die Projektbeteiligten im CITEC-Gebäude der Universität Bielefeld zur Abschlusstagung des Projekts zusammen.

Jeder Ernteprozess ist eine große Herausforderung. Der Mähdrescher muss laufend an die Bedingungen des Feldes und der Witterungen angepasst werden. Denn die Pflanzen können in ihrer Größe, ihren Ähren, in ihrer Kornanzahl und Korngröße stark variieren – durch Bodeneinflüsse, Wasserstellen, Schattenbildungen oder unterschiedliche Bewirtschaftung des Feldes. „Dadurch gibt es keine ‚Standard‘-Einstellung für einen Mähdrescher“, erklärt der Projektleiter Marvin Barther vom Unternehmen CLAAS.

Das Ziel des Projektes InSensEPro war es, ein intelligentes Sensornetzwerk für Mähdrescher zu entwickeln. Das System soll direkt während der Ernte den Kornverlust präzise bestimmen und interpretieren. So kann es der maschinenführenden Person empfehlen, wie sie die Erntefahrt optimiert.

Projektteam um Felix Wittenfeld, Kevin Penner, Prof. Dr.-Ing. Ulrich Rückert (alle Wissenschaftler des CoR-Labs der Universität Bielefeld) und Marvin Barther (CLAAS) bei der Abschlusstagung am CITEC der Universität Bielefeld Foto: Universität Bielefeld

Kooperation zwischen der Universität Bielefeld und dem Unternehmen CLAAS

Die Arbeitsgruppe Kognitronik und Sensorik von Prof. Dr.-Ing. Ulrich Rückert am Forschungsinstitut für Kognition und Robotik (CoR-Lab) der Universität Bielefeld kooperiert mit der Firma CLAAS seit rund zehn Jahren. In einem Vorgängerprojekt wurde der Einfluss der Außenwelt des Mähdreschers auf den Ernteprozess untersucht. Im aktuellen Projekt lag der Fokus auf den Prozessen innerhalb des Mähdreschers. Den Forschenden ging es dabei nicht allein um die technischen Aspekte, sondern auch um die Einbeziehung des Menschen – der maschinenführenden Person.

Wissenschaftliche Umsetzung

Laut Felix Wittenfeld aus der Arbeitsgruppe Kognitronik und Sensorik galt es zunächst, eine Sensorik zu finden, die überhaupt in der Lage ist, den gesuchten Kornverlust zu bestimmen. „Die Erntedurchsätze sind immens – bis zu 120 Tonnen in der Stunde. Das mit Sensoren zu erfassen, ist eine herausfordernde Aufgabe“, sagt Wittenfeld.

Felix Wittenfeld, Forscher der Arbeitsgruppe Kognitronik und Sensorik, beschreibt die Herausforderungen für Sensorverfahren beim Ernteprozess. Foto: Universität Bielefeld

Um Verstopfungen oder andere negative Beeinträchtigungen zu vermeiden, darf der Volumenstrom nicht durch die Messung behindert werden. Zugleich herrschen raue Einsatzbedingungen beim Ernteprozess, die insbesondere durch den massiv auftretenden Staub klassische optische Verfahren wie den internen Einsatz von Kameras ausschließen. Auch die mechanischen Belastungen durch Schwingungen und den Transport des Ernteguts sind für die meisten Verfahren ein Ausschlusskriterium. „Durch die herausfordernden Anwendungsbedingungen war das Sensorprojekt InSensEPro eines der komplexesten meiner wissenschaftlichen Karriere“, sagt Professor Dr.-Ing. Ulrich Rückert.

In umfangreichen Recherchen und Praxisversuchen fand das Projektteam eine geeignete körperschallbasierte Sensorik, die in der Lage ist, den Körnerstrom zuverlässig zu messen und von Kurzstroh und anderem transportierten Material zu unterscheiden.

"Eine körperschallbasierte Sensorik funktioniert vergleichbar mit einem Mikrofon. Sie misst aber die Ausbreitung der Schallwelle nicht in der Luft, sondern innerhalb eines Festkörpers", erklärt Kevin Penner aus der Arbeitsgruppe Kognitronik und Sensorik. Foto: Universität Bielefeld

Allerdings kann mit diesem Verfahren nicht direkt der vollständige Kornverlust gemessen werden, sondern lediglich der Gutfluss für eine bestimmte Position im Bauraum des Mähdreschers. Damit ausreichend Daten erfasst werden, um den Kornverlust abschätzen zu können, mussten geeignete Montagepositionen für die mehr als 100 Sensoren gefunden werden. Zur Reduzierung des Verdrahtungsaufwandes und der damit einhergehenden Beeinflussung des Gutstroms, wurde mit verschiedenen kabelgebundenen und drahtlosen Übertragungstechnologien experimentiert. Unter Labor- und Erntebedingungen hat sich im speziellen Anwendungsfall eine energiesparsame drahtlose Übertragungstechnologie – Bluetooth Low Energy – als besonders geeignet erwiesen. Das Sensornetzwerk erfasst alle relevanten Daten und stellt sie für die weitere Analyse einem zentralen Steuergerät bereit. Die Anzahl an Datenquellen, die sich daraus ergibt, liegt im mittleren dreistelligen Bereich. Diese Vielzahl an zeitlich kontinuierlichen Datenströmen ist jedoch für eine einzelne Person, die mähdrescherfahrende Person, weder überschaubar noch interpretierbar.

Ergebnisse nach zwei Jahren Projektlaufzeit

Durch die Verwendung von Methoden der künstlichen Intelligenz ist es gelungen, die große Anzahl an Daten für den Mähdrescherfahrer auf die eine Zielgröße, den Kornverlust, zu komprimieren und damit nutzbar zu machen. Mit dem Sensornetzwerk können die Kornverluste nun deutlich präziser ermittelt werden, sodass der Fahrer die Maschineneinstellungen gezielter auf die Kornverluste hin optimieren kann. Hierdurch gelingt eine Effizienzsteigerung der Erntemaschine bei gleichzeitig optimierter Erntegutqualität. Zudem wird die maschinenführende Person entlastet. In insgesamt 60 Ernte- und 46 Labortagen ist es somit gelungen, ein intelligentes Sensornetzwerk zu entwickeln, das die Prozesse in der Landmaschine überwacht und dessen Daten durch Künstliche Intelligenz interpretiert.

Gefördert wurde das Projekt von der it's OWL Clustermanagemement GmbH mit 1,01 Millionen Euro. Das Geld stammt aus Landesmitteln des Ministeriums für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen. Günter Korder, Geschäftsführer Operations der it’s OWL Clustermanagemement GmbH zeigt sich begeistert von dem Ergebnis der Kooperation von CoR-Lab und CLAAS: „Dieses Projekt zahlt maßgeblich auf die Nachhaltigkeitsstrategie von it’s OWL ein.“

Weitere Informationen:

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Rückert, Universität BielefeldTechnische Fakultät Tel: 0521 - 106 12050

Email: rueckert@techfak.uni-bielefeld.de

https://www.its-owl.de/die-projekte-im-ueberblick/innovationsprojekte/innovationsprojekte-1/back-560/insensepro/

CITEC-Team gewinnt erstmals bei RoboCup German Open

Technische Fakultät — Mon, 20 May 2019 11:41:36 +0200

Das RoboCup-Team des Exzellenzclusters CITEC und der Technischen Fakultät der Universität Bielefeld hat sich in der Haushaltsliga der RoboCup German Open in Magdeburg durchgesetzt und sich in dem Wettbewerb erstmals den ersten Platz gesichert. Das „Team of Bielefeld“ (ToBI) trat in diesem Jahr mit dem neuen Serviceroboter TIAGo an. Neun Teams starteten in der RoboCup@Home-Liga. Sie kamen aus Deutschland, den Niederlanden, Mexiko, Frankreich und Indien.

Zum Bielefelder Team unter Leitung von Sven Wachsmuth vom CITEC-Zentrallabor gehörten drei Forschende und sechs Studierende. Teambetreuer waren Leroy Rügemer, Luca Lach, David Leins und beratend Johannes Kummert. Die Studierenden Torben Markmann, Julia Niermann, Jan Pohlmeier und Markus Vieth nahmen zum ersten Mal am RoboCup teil.

„Das Team hat sich reingehängt und einen Wahnsinns-Endspurt geschafft“, sagt Sven Wachsmuth. „Kurz vor dem Beginn des Wettbewerbs hatten wir noch den Eindruck, mit dem neuen Roboter und dem neuen Regelbuch nicht allzu perfekt vorbereitet zu sein. Doch durch viel Programmier- und Test-Arbeit in den Tagen vor und direkt bei dem Event hat das Team den Roboter so eingestellt, dass er seine Aufgaben erfolgreich meistern und sich gegen die Konkurrenten durchsetzen konnte.“

In dem Wettbewerb müssen Serviceroboter in verschiedenen Szenarien ihre Fähigkeiten unter Beweis stellen. So musste der Bielefelder TIAGo-Roboter als Partygastgeber agieren, dafür Gäste empfangen, sie ins Wohnzimmer bringen und ihnen einen Sitzplatz anbieten. Auch als Haushälter war der Roboter tätig: Er brachte den Abfall aus der Küche zu einer Müllsammelstelle und räumte Geschirr in die Spülmaschine ein.

Der Einsatz des neuen TIAGo-Roboters für das CITEC-Team war möglich, weil der Exzellenzcluster CITEC in der Forschung zu Robotik eng mit dem Bielefelder Werk des Hausgeräteherstellers Miele zusammenarbeitet. Das Unternehmen Miele hat den TIAGo-Roboter für die RoboCup-Teilnahme zur Verfügung gestellt.

Die RoboCup German Open fanden vom 3. bis 5. Mai statt, zum mittlerweile 19. Mal. In den Hauptligen, zu denen auch die @Home-Liga gehört, nahmen insgesamt 49 Teams von Universitäten und Unternehmen teil. Das CITEC-Team ist nicht nur bei den German Open erfolgreich. Bei der RoboCup-Weltmeisterschaft hat das „Team of Bielefeld“ 2016 in Leipzig und 2018 in Montreal erste Plätze belegt.

Autor: Jörg Heeren

Wie das Gehirn Sinnesreize kombiniert

Technische Fakultät — Fri, 3 May 2019 12:40:15 +0200

Bielefelder Forschende mit Studie zu Flexibilität der Sinneswahrnehmung

Hören, Sehen, Tasten – unser Gehirn erfasst ganz verschiedene Sinnesreize und verknüpft sie miteinander. Dabei hat das Gehirn eine Art eingebaute Filterfunktion: Kombiniert werden Sinneseindrücke nur dann, wenn es für die aktuelle Aufgabe erforderlich und sinnvoll ist. Diese Flexibilität der Wahrnehmung haben Forschende der Universität Bielefeld, der University of Oxford (Großbritannien) und der Aix-Marseille Université (Frankreich) untersucht. Ihre Studie erschien gestern (29.04.2019) in der Zeitschrift „Neuron“. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen darin, wo im Gehirn Sinnesreize kombiniert werden und in welchem Hirnareal sich Flexibilität verorten lässt. Aus Bielefeld sind Professor Dr. Christoph Kayser und Dr. Hame Park vom Exzellenzcluster CITEC an der Studie beteiligt.

Prof. Dr. Christoph Kayser. Foto: CITEC/ Universität Bielefeld

„Uns interessiert, wie das Gehirn Sinnesreize verarbeitet“, sagt Kayser, der die Forschungsgruppe „Kognitive Neurowissenschaften“ leitet. In seiner Forschung beschäftigt er sich mit multisensorischer Integration, also der Kombination verschiedener Sinnesinformationen. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn man einen Film schaut: Hier hört man, wie die Figuren miteinander sprechen, und sieht gleichzeitig ihre Lippenbewegungen. Es ist jedoch nicht immer sinnvoll, dass auditive und visuelle Informationen automatisch im Gehirn kombiniert werden, etwa wenn ein fremdsprachiger Film synchronisiert ist und die Lippenbewegungen nicht zum Ton passen.

In ihrer Studie haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erforscht, in welchen Bereichen des Gehirns Sinnesreize flexibel integriert werden. Dazu haben sie drei mögliche Modelle getestet. Während verschiedene Sinnesreize im ersten Modell komplett getrennt verarbeitet werden, werden sie im zweiten Modell automatisch kombiniert. Die dritte Variante ist schließlich das Modell der „kausalen Inferenz“: Verschiedene Sinnesreize werden nur dann kombiniert, wenn sie nicht räumlich oder zeitlich voneinander entfernt sind. Hört man zum Beispiel immer einen Ton und sieht gleichzeitig ein Bild, kombiniert das Gehirn die Informationen. Tauchen Ton und Bild jedoch zusammen auf, obwohl sie vorher getrennt waren, werden sie nicht kombiniert. „Im Modell der kausalen Inferenz schließt das Gehirn also auf eine mögliche gemeinsame Quelle der Sinnesreize. Sinnesreize werden nicht einfach automatisch integriert, sondern nur, wenn sie eine gemeinsame Quelle haben“, sagt Kayser.

Illustration der Verarbeitung von Sinnesreizen im Gehirn: Auf der niedrigsten Stufe werden die Reize getrennt verarbeitet (blau) und dann im Parietallappen automatisch kombiniert (pink), Flexibilität wird erst auf einer höheren Verarbeitungsstufe im Frontallappen verortet (rot). Foto: Universität Bielefeld, C. Kayser

Um die drei Modelle zu testen, wurden Testpersonen mit Licht- und Tonreizen konfrontiert. Licht und Ton tauchten dabei manchmal gleichzeitig auf, manchmal mit unterschiedlichen Häufigkeiten. Währenddessen zeichneten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Hirnaktivität der Testpersonen mithilfe einer Magnetenzephalographie (MEG) auf. Das Ergebnis: Die drei Modelle passen jeweils zu unterschiedlichen Bereichen des Gehirns und damit auch zu unterschiedlichen Stufen der Verarbeitung. Auf der niedrigsten Stufe werden die Informationen getrennt in der Seh- und der Hörrinde abgebildet. Danach werden sie im Parietallappen – das ist der obere Teil des Gehirns – automatisch kombiniert. Erst auf einer höheren Verarbeitungsstufe liest das Gehirn die Informationen aus den vorherigen Stufen aus und filtert bei Bedarf störende Sinnesreize. Diese Flexibilität in der Wahrnehmung wird in speziellen Arealen des Frontallappens verortet, die für abstraktere Denkprozesse zuständig sind. „Auf der Ebene des Verhaltens weiß man schon länger, wie Menschen mit verschiedenen Sinnesinformationen umgehen. Mit unserer Studie können wir erstmals zeigen, wie und wo das Gehirn solche Informationen verarbeitet“, sagt Kayser.

Die Ergebnisse der Studie können in verschiedenen weiteren Forschungsbereichen genutzt werden. Sie sind zum Beispiel hilfreich für die Erforschung des abstrakten Denkens, weil dort Flexibilität und kausale Zusammenhänge eine wichtige Rolle spielen. „Wie das Gehirn Sinnesinformationen verarbeitet, ist zudem für technische Anwendungen relevant, etwa bei der Interaktion zwischen Mensch und Maschine“, sagt Kayser. Damit befassen sich seine Kolleginnen und Kollegen im Bielefelder Exzellenzcluster CITEC. Und schließlich sind die Studienergebnisse im klinischen Kontext von Bedeutung. Dort können sie helfen, Krankheiten wie Autismus besser zu verstehen, bei denen Menschen Schwierigkeiten haben, Sinnesinformationen richtig zu verarbeiten.

Kayser ist Biologe und Mathematiker und hat im Jahr 2017 die Professur für Kognitive Neurowissenschaft an der Universität Bielefeld übernommen. 2015 wurde er mit einem „Consolidator Grant“ des Europäischen Forschungsrats (European Research Council, ERC) ausgezeichnet, die Förderung läuft bis 2020. Mit der Auszeichnung unterstützt der Forschungsrat vielversprechende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Beginn einer unabhängigen Karriere.

Originalveröffentlichung:
Yinan Cao, Christopher Summerfield, Hame Park, Bruno Lucio Giordano, Christoph Kayser: Causal Inference in the Multisensory Brain. Neuron, https://doi.org/10.1016/j.neuron.2019.03.043, erschienen am 29. April 2019. Reprint in BioRxiv, https://doi.org/10.1101/500413.

Weitere Informationen:
Pressemitteilung: „Spezialist für die Fusion der Sinne“ (27.10.2017), Link: https://ekvv.uni-bielefeld.de/blog/pressemitteilungen/entry/spezialist_für_die_fusion_der

Wie die Mobilität der Zukunft aussehen kann

Technische Fakultät — Mon, 8 Apr 2019 10:34:06 +0200

Universität Bielefeld koordiniert Vorstudie „Vernetzte Mobilität OWL“

Bedarfsgerechte Verkehrsmittel, keine Bindung an Abfahrtszeiten oder Haltestellen und eine kostengünstige Nutzung: Das ist die Vision der Mobilität der Zukunft. Wie diese konkret aussehen kann, erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Bielefeld, der Fachhochschule Bielefeld, der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe und des Fraunhofer IOSB-INA in Lemgo ab sofort in der gemeinsamen Vorstudie „Vernetzte Mobilität OWL“. Die Studie bildet die Grundlage für vier Einzelprojekte, die sich im Qualifizierungsverfahren der Regionale 2022 befinden. Gefördert wird die Vorstudie aus Mitteln des Landes Nordrhein-Westfalen. Projektkoordinator ist Dr. Thorsten Jungeblut vom Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC) der Universität Bielefeld.

Die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Vorstudie. Dr. Thorsten Jungeblut vom CITEC (re.) koordiniert das Projekt. Foto: Universität Bielefeld

„Vernetzte Mobilität ermöglicht allen Teilen der Bevölkerung eine Beförderung, die an ihre individuellen Bedürfnisse angepasst ist – etwa für ältere Menschen, Menschen ohne Auto oder Menschen, die ihr Fahrrad transportieren möchten. Das gilt, egal ob man auf dem Land oder in der Stadt wohnt oder zu welchen Zeiten man auf Beförderung angewiesen ist“, sagt Jungeblut. Für eine vernetzte Mobilität müssen verschiedene Verkehrsmittel wie Bahn, Bus oder Fahrrad möglichst gut miteinander kombiniert werden und automatisierte sowie autonome Fahrzeuge mit einbezogen werden. Daraus ergeben sich jedoch besondere technische, gesellschaftliche und rechtliche Anforderungen.

Diese Anforderungen werden im Rahmen der Studie erarbeitet. Zum Beispiel wird untersucht, welche Technologien für autonome Straßen- und Schienenfahrzeuge bereits verfügbar sind und inwiefern sie sich für den öffentlichen Nahverkehr eignen. Relevant ist aber auch, dass die Angebote für alle Nutzerinnen und Nutzer verfügbar sind, unabhängig von Alter, Bildung oder körperlichen Fähigkeiten. Ein weiteres Ziel der Studie ist deswegen, zu analysieren, wie potenzielle Nutzerinnen und Nutzer mit den neuen Technologien umgehen können. Und schließlich ergeben sich aus der vernetzten Mobilität rechtliche Probleme: beim autonomen Fahren, aber auch beim Datenschutz. Um Personen beispielsweise individuell mit dem Bus abholen zu können, werden Informationen über den Standort oder das Zuhause der Personen gebraucht. Diese rechtlichen Randbedingungen werden ebenfalls in der Studie untersucht.

Auf den Ergebnissen der Studie bauen vier Leitprojekte auf, die von den jeweiligen Projektpartnern entwickelt wurden: „Autöpia“ von der Universität Bielefeld, „Future Rail OWL“ von der Fachhochschule Bielefeld, „AutoBahn“ von der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe und „LastMile“ vom Fraunhofer IOSB-INA in Lemgo. Jedes der Leitprojekte soll dazu beitragen, dass vernetzte Mobilität auch tatsächlich umgesetzt wird. Im Projekt „Autöpia“ geht es zum Beispiel um autonome Busse im ländlichen Raum: Die Idee ist dabei, dass sich Busse in Korridoren statt auf festen Strecken bewegen und genau dann zu einem nach Hause fahren, wenn man sie gerade braucht. „Alle vier Leitprojekte sind mit ähnlichen Herausforderungen konfrontiert. Deswegen ist es wichtig, die Grundlagen in einer projektübergreifenden Vorstudie zu erarbeiten und so die Weichen für eine mögliche spätere Umsetzung zu stellen“, sagt Jungeblut.

Die Leitprojekte befinden sich in der Qualifizierungsphase für die Regionale 2022. Die Regionale 2022 ist ein Regionalentwicklungsprogramm des Landes Nordrhein-Westfalen, das in den nächsten Jahren in Ostwestfalen-Lippe umgesetzt wird, Mobilität ist eines von vier Aktionsfeldern. Der Qualifizierungsprozess verläuft in drei Stufen: Haben Projektideen prinzipiell das Potenzial für eine Regionale-Förderung, erlangen sie Status C. Konkretisierte Projekte mit Status B sind Anwärter auf die Aufnahme als Regionale-Projekt. Projekte, deren Realisierbarkeit nachgewiesen ist, erhalten schließlich Status A und damit die Regionale-Förderung. Die vier Leitprojekte haben derzeit C-Status.

Weitere Informationen:
Die Webseite der Regionale 2022: http://www.regionale2022.de

Universität Bielefeld auf der Hannover Messe 2019

Technische Fakultät — Mon, 1 Apr 2019 10:40:23 +0200

Vier Präsentationen, darunter: neuer Algorithmus zur verbesserten Steuerung von Handprothesen

Die Universität Bielefeld präsentiert sich auf der Hannover Messe 2019 vom 1. bis 5. April mit dem Forschungsinstitut für Kognition und Robotik (CoR-Lab) und dem Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC). Die Forschenden stellen Plattformen und Anwendungen für maschinelles Lernen vor. Ein Beispiel ist ein neues Verfahren für die schnelle Anpassung von Handprothesen. Das System ermöglicht auch dann eine einwandfreie Steuerung einer Handprothese, wenn sich die Messelektroden auf der Haut verschoben haben. Das System ist eine von vier Präsentationen der Universität, zu denen auch ein neues Startup-Unternehmen von CITEC-Forschenden gehört.

Wie funktioniert eine Handprothese auch nach dem erneuten Anlegen der Elektrodenmanschette (Bild) wieder einwandfrei? Das zeigen Bielefelder Forschende mit einem Exponat auf der Hannover Messe. Foto: Universität Bielefeld

Interessierte Gäste können die Manschette des Handprothesensystems auf dem Stand der Universität Bielefeld auf der Hannover Messe 2019 in Halle 16 (Stand A04) testen. Der Stand ist Teil der gemeinschaftlichen Ausstellungsfläche des Spitzenclusters it’s OWL (Intelligente Technische Systeme in Ostwestfalen-Lippe). „Wir präsentieren auf der Messe aktuelle Technologien und Anwendungsbeispiele für den effizienten Einsatz maschineller Lernverfahren“, sagt Dr.-Ing. Sebastian Wrede vom CoR-Lab, der die Messeteilnahme koordiniert. „Diese werden entlang der Wertschöpfungskette – von ressourcenschonender Hardware über Software bis hin zum integrierten intelligenten System – demonstriert.“

Handprothesen-Algorithmus gleicht Störungen aus

Mit modernen Handprothesen lässt sich die Funktion der Hand teilweise wiederherstellen: Elektroden auf dem Armstumpf messen die Muskelsignale, ein Algorithmus leitet daraus die gewollte Handbewegung ab und eine Prothese führt die Bewegung aus. Solche Prothesen sind aber anfällig für Störungen, vor allem die Verschiebung der Elektroden auf der Haut. Die Forschungsgruppe Maschinelles Lernen von Professorin Dr. Barbara Hammer hat ein System entwickelt, das Störungen infolge von Elektrodenverschiebungen ausgleicht. Ein Algorithmus für Maschinelles Lernen passt das Steuerungssystem, wie es in der Klinik eingestellt wurde, auf die neue Elektrodenposition im Alltag an. Das Besondere: Es kommt mit sehr wenigen Daten aus. „Das macht das neue Verfahren auch für die Industrie interessant“, sagt Sebastian Wrede. „Auch hier müssen Systeme oft mit wenigen Beispieldaten auskommen.“

Do-it-yourself-System für Objekterkennung

Die automatische Erkennung von Objekten wird in zahlreichen Branchen benötigt: von der Automobilindustrie bis zur Logistik. Bevor technische Systeme ein Objekt erkennen können, müssen sie deren Merkmale „kennen“. Die Forschungsgruppe Kognitronik und Sensorik von Professor Dr.-Ing. Ulrich Rückert hat das mobile und kostengünstige System „TeachME“ entwickelt, das neue Objekte und ihre Eigenschaften in Sekundenschnelle erlernt. Das System macht auf Knopfdruck eine Aufnahme des zu erlernenden Objekts und verarbeitet es mit künstlichen neuronalen Netzen, die vortrainierte Modelle von Objekten enthalten. Auf einem Display zeigt das System Eigenschaften und weitere Objektdaten an. Kleine Unternehmen verfügen oft nicht über große Rechnerkapazitäten, auch fehlt mitunter die Expertise für Maschinelles Lernen. Das neue System ist ressourcenschonend, kann sogar mit Akku betrieben werden, und ist intuitiv bedienbar.

Intelligenter Spiegel kommt mit geringer Rechnerleistung aus

Der in einem EU-Projekt entwickelte Smart Mirror assistiert mit Abfahrplänen und Tipps für die Tagesgestaltung. Die Daten verarbeitet er lokal, sodass private Daten nicht nach außen gelangen. Foto: Universität Bielefeld

Ebenfalls in der Gruppe Kognitronik und Sensorik wurde ein intelligenter Spiegel für Smart Homes entwickelt, als Teil des EU-Projekts „Legato“, das sich mit energiearmer Datenverarbeitung befasst. Die Steuerung intelligenter Wohnungen ist oft sehr rechenintensiv und wird meist über Cloud-Rechner betrieben. Der Smart Mirror aus Bielefeld soll zeigen, wie sich maschinelle Lernverfahren stromsparend vor Ort nutzen lassen. Der Spiegel erkennt seine Nutzerinnen und Nutzer und zeigt personalisierte Informationen an (etwa Busfahrplan oder aktueller Zustand der Wohnung). Er lässt sich über Gesten und Sprache bedienen. Weil er Daten lokal und nicht auf externen Servern von Unternehmen verarbeitet, bleibt die Privatsphäre gewahrt.

Robotik für die breite Masse zugänglich machen

Das Technologie-Startup „R+“ widmet sich Robotik und Mensch-Robotik-Interaktion. Das Team realisiert Produkte in Einsatzbereichen vom Kundenkontakt bis hin zur Pflege. Ziel ist die Entlastung von Menschen im Arbeitsalltag, indem durch die Übernahme von sich wiederholenden Aufgaben durch Roboter mehr Zeit für kreative oder auch fürsorgliche Aufgaben geschaffen wird. Das Startup bietet seinen Kundinnen und Kunden ein System an, das es Laien ermöglicht, Roboter für ihre individuellen Szenarien selbstständig zu konfigurieren. Mit dem System können die Nutzerinnen und Nutzer Lösungen erstellen, die auf Konzepten aus Maschinellem Lernen, Maschinellem Sehen oder Edge Computing (lokale Datenverarbeitung) basieren. Das Startup will so seine Vision vom Roboter als akzeptiertem Dienstleister in der Mitte der Gesellschaft verwirklichen.

Bakterien-Partnerschaften finden, um Nahrungsproduktion zu sichern

Technische Fakultät — Thu, 21 Mar 2019 15:45:33 +0100

EU-Forschungsprojekt „Simba“ untersucht Mikrobiome

Wie können Kleinstlebewesen dazu dienen, in Zukunft die Nahrungsproduktion zu sichern? Das untersucht das EU-Forschungsprojekt „Simba“. Zu den 23 Projektpartnern aus elf Ländern gehört das Centrum für Biotechnologie (CeBiTec) der Universität Bielefeld. „Wir befassen uns mit Mikrobiomen – das sind Gemeinschaften von Kleinstlebewesen wie Bakterien und Pilze“, sagt Dr. Alexander Sczyrba, Leiter einer CeBiTec-Forschungsgruppe und zuständig für ein Simba-Teilprojekt.

Foto: Universität Bielefeld

„Mikrobiome gibt es überall auf der Welt – in Äckern, Biogasanlagen, Aquafarmen oder auch im Magen-Darm-Trakt von Menschen. In diesen Gemeinschaften arbeiten Mikroben gewissermaßen zusammen und sorgen für besondere Effekte, die wir uns zunutze machen wollen.“ So können Bakterien-Gemeinschaften in Böden Nährstoffe für Pflanzen zugänglich machen, sodass Weizen, Kartoffeln oder Tomaten besser gedeihen. Auch können sie die Pflanzen vor krankmachenden Mikroorganismen schützen. In Biogasanlagen zersetzen Mikrobiome Gülle oder nachwachsende Rohstoffe so, dass der Biokraftstoff Methan entsteht. Die Darmflora – das Mikrobiom im Magen-Darm-Trakt – schützt je nach Zusammensetzung vor Krankheiten und Vergiftungen.

Suche nach nützlichen Genen

Alexander Sczyrba ist Spezialist für die bioinformatische Auswertung von Metagenomen. Das Genom ist das gesamte Erbgut eines Lebewesens, ein Metagenom enthält die DNA-Information aller Organismen eines Mikrobioms. „Wir haben es also nicht mit den Daten des Erbguts von einem Bakterium zu tun, das wäre ein Genom. Vielmehr arbeiten wir mit einer Kette von DNA-Daten tausender Mikroben, die in einer Probe vorkommen“, sagt Sczyrba.

Im Labor wird dafür zum Beispiel die DNA der Mikroorganismen in einem Sequenziergerät untersucht, die in besonders fruchtbaren Kartoffeläckern gefunden werden. Das Gerät entschlüsselt die DNA-Basen, das sind die vier „Buchstaben“, mit denen der Bauplan der Mikroben im Erbgut kodiert ist. Heraus kommen mehrere hundert Millionen Sequenzen. „Diese Teilstücke müssen nun in die richtigen Reihenfolge gebracht werden“, erklärt Sczyrba. Er beschreibt die Sequenzen wie Stücke eines Bindfadens, auf dem Buchstaben notiert sind. „Mit unseren Methoden schaffen wir es, zurückzuverfolgen, wie die Teile miteinander verbunden waren. So bekommen wir eine Abfolge von Daten, die nicht nur das Erbgut einer Mikrobe, sondern idealerweise aller Mikroben aus der Probe darstellt.“ Im nächsten Schritt rechnen die Forschenden heraus, wo auf dem „Faden“ die Gen-Informationen eines einzelnen Bakteriums beginnen und wo sie aufhören. „Danach bestimmen wir, welche Funktion das jeweilige Bakterium in seinem Mikrobiom hat.“ So gibt es Aquafarmen mit Bakterien, die das giftige Ammoniak aus dem Fischkot in Nitrit umwandeln können. Eine andere Sorte Bakterien wandelt den Stoff wiederum in unschädliches Nitrat um. „Mit einem Abstrich von der Haut des Fisches können wir ermitteln, welche Gene im Erbgut der Bakterien zu diesem positiven Effekt führen.“ Nicht nur die Wasserqualität, auch die Verdauung der Fische lässt sich mit Mikrobiomen verbessern. So könnten Mikrobiome aus dem Verdauungstrakt von Fischen, die ihre Nahrung besonders gut verwerten, auf Artgenossen übertragen werden.

Außerdem analysieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, welche Partnerschaften von Mikroorganismen zusammenhängen, welche Genome also immer zusammen vorkommen.

Anwendung in Nahrungsproduktion

Für die Analysen müssen die Forschenden nur in wenigen Fällen neue Proben beschaffen. „In der Biologie ist es seit mehr als 30 Jahren üblich, genetische Informationen über Datenbanken frei verfügbar zu machen. Es gibt somit schon Unmengen von Daten zu Mikrobiomen, die wir verwenden können“, sagt Sczyrba.

Das Simba-Projekt soll als Ergebnis ebenfalls eine öffentlich zugängliche Datenbank liefern. Sie enthält die Daten von Mikrobiomen, die nützliche Funktionen in der Nahrungsproduktion bieten. Mit den Informationen aus dieser Übersicht könnten Agarunternehmen zum Beispiel einen Bakterien-Mix entwickeln, mit dem Ackerböden geimpft werden können. Durch den Klimawandel drohen Ackerböden zu versalzen. Bakterien könnten etwa Weizen und anderen Anbaupflanzen helfen, mit Salzböden zurechtzukommen. Auch Lebensmittelhersteller könnten die Forschungsergebnisse nutzen und zum Beispiel Drinks mit Bakterien-Gruppen herstellen, die als Teil der Darmflora Vitamine oder ungesättigte Fettsäuren produzieren.

Rechner-Cloud für die Analysen

Am CeBiTec arbeitet Sczyrbas Forschungsgruppe für Simba mit der Gruppe von Professor Dr. Alfred Pühler zusammen. Während Sczyrba und sein Team die bioinformatische Analyse von Metagenomen beherrschen, kennt sich Pühlers Gruppe vor allem damit aus, wie sich Mikroorganismen industriell einsetzen lassen. So sind Pühler und sein Mitarbeiter Dr. Andreas Schlüter an Projekten beteiligt, um optimale Mikrobiome für Biogasanlagen zu identifizieren.

Für ihre Berechnungen nutzen die Bielefelder Forschenden die „de.NBI-Cloud“ – ein System aus Hochleistungsrechnern mit mehr als 16.000 Prozessoren und Analysesoftware für genetische Daten. Die Universität Bielefeld ist einer von sechs Standorten, die die Cloud betreiben. Verantwortlich für die Cloud ist das Deutsche Netzwerk für Bioinformatik-Infrastruktur (de.NBI), das seit 2015 am CeBiTec koordiniert wird. Das CeBiTec, gegründet 1998, gehört mit seinen rund 150 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zu den größten zentralen wissenschaftlichen Einrichtungen der Universität Bielefeld. „Eine Besonderheit des CeBiTec ist, dass hier Bioinformatik und molekularer Biotechnologie miteinander verzahnt sind“, sagt Sczyrba. „Wir haben sowohl die Expertise, Big Data aus der Biologie auszuwerten, als auch mit den Erkenntnisse Mikroorganismen und Biomoleküle für die Industrie zu entwickeln.“

Die Europäische Kommission fördert Simba für vier Jahre bis Oktober 2022 als Teil des Forschungsrahmenprogramms Horizont 2020. Simba steht für „Sustainable Innovation of Microbiome Applications in the Food System“ (Nachhaltige Innovationen von Mikrobiom-Anwendungen im Nahrungssystem). Die 23 Forschungs- und Industriepartner kommen unter anderem aus Norwegen, Finnland, Italien und Irland. Das Finnische Institut für natürliche Ressourcen (Luke) koordiniert das Projekt. Simba wird mit insgesamt zehn Millionen Euro gefördert, 600.000 Euro gehen an die Universität Bielefeld.

Ohne Röntgenaufnahme die Schädelform in 3D berechnen

Technische Fakultät — Mon, 4 Feb 2019 11:54:35 +0100

Forschende aus Bielefeld, Wiesbaden und Mainz stellen neue Methode vor

Ein neues mathematisches Modell des Schädels könnte in Zukunft dazu beitragen, bei medizinischen Untersuchungen des Kopfes mit wenigen oder sogar ganz ohne Röntgenaufnahmen auszukommen und so die Strahlenbelastung für Patientinnen und Patienten deutlich zu reduzieren. Dasselbe Modell kann auch eingesetzt werden, um anhand eines Schädels ein Gesicht zu rekonstruieren. Es könnte somit auch helfen, Kriminalfälle aufzuklären. Forschende des Exzellenzclusters Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC) der Universität Bielefeld, der Hochschule RheinMain sowie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben dieses Modell nun im Forschungsmagazin PLOS ONE veröffentlicht.

Prof. Dr. Mario Botsch vom Exzellenzcluster CITEC hat mit Kollegen aus Wiesbaden und Mainz ein Modell entwickelt, das von einem Gesichtsscan auf die Form des Schädels schließen kann. Es kann umgekehrt auch ein Gesicht aus einem Schädel rekonstruieren. Foto: CITEC/Universität Bielefeld

Viele Kinder und Jugendliche tragen für eine bestimmte Zeit eine Zahnspange, weil sie eine Fehlstellung des Kiefers haben. Um die Zahnspange an den jeweiligen Kiefer anzupassen, sind umfassende Untersuchungen notwendig. Dazu gehören auch Untersuchungen mit Röntgenstrahlen, bei denen in der Regel der komplette Kiefer aufgenommen wird. Heutige Röntgengeräte sind moderner als früher und lassen sich zielgerichtet einsetzen. "Trotzdem steigt die Dosis durch Röntgenaufnahmen nachweislich seit den 1990er-Jahren Jahr für Jahr an, so dass alle Maßnahmen zum Strahlenschutz zu begrüßen sind.

Insbesondere Kinder und Jugendliche mit ihrer überproportional erhöhten Strahlenempfindlichkeit sollten so wenig Strahlung ausgesetzt werden wie möglich", sagt Prof. Dr. Ralf Schulze von der der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie der Universitätsmedizin Mainz. Er leitet eine Arbeitsgruppe im Forschungsschwerpunkt BiomaTiCS – Biomaterials, Tissues and Cells in Science der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), der sich mit der Interaktion von Geweben und Zellen mit körperfremden Materialien und Oberflächen beschäftigt.

Zudem forscht er mit in dem Verbundprojekt Kephalos der Hochschule RheinMain, welches dort von Prof. Dr. Ulrich Schwanecke, Leiter der Labors für Computer Vision und Mixed Reality geleitet wird. Weitere Projektpartner sind Prof. Dr. Elmar Schömer vom Institut für Informatik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und Prof. Dr. Mario Botsch, Leiter der Forschungsgruppe "Computergrafik und Geometrieverarbeitung" vom Exzellenzcluster CITEC der Universität Bielefeld.

Ziel des Projekts ist es, eine Methode zu entwickeln, die es erlaubt, die Form des Gesichtsschädels auf Basis von maximal einer Röntgenaufnahme in Verbindung mit einem Gesichtsscan zu berechnen. Damit ließe sich die Strahlungsdosis für bestimmte Untersuchungen deutlich reduzieren. "In dem Projekt zeigte sich, dass die Berechnung des Gesichtsschädels schon alleine mit einem Gesichtsscan möglich ist. Dies hatten wir ursprünglich nicht erwartet", sagt Schwanecke. Die Forschungsergebnisse aus dem Projekt haben die Beteiligten jetzt im Journal PLOS ONE veröffentlicht.

Je mehr Daten, desto feiner das Modell
Grundlage des präsentierten Verfahrens sind statistische Modelle, welche die Variation von Gesichtern, Gesichtsschädeln sowie der Hautdicke im Gesicht beschreiben. Um die Modelle zu erhalten, analysierten die Forschenden dreidimensionale Aufnahmen von rund 40 Schädeln und 80 Gesichtern, die im Wesentlichen aus der Universitätsmedizin Mainz stammten. Die Wissenschaftler entwickelten daraus ihre Modelle, welche auf einer Menge von Messpunkten beruhen, die über Dreiecke miteinander verbunden sind und wie ein Netz mit dreieckigen Maschen ein Gesicht oder einen Schädel überziehen. Die genaue Lage der Eckpunkte dieser Dreiecke ist dabei für jedes Gesicht beziehungsweise jeden Schädel anders. Die entwickelten statistischen Modelle kodieren nun die statistische Verteilung der Eckpunkte zu den analysierten Schädel- oder Gesichtsaufnahmen. "Das Modell wird immer genauer, je mehr Daten wir zur Verfügung haben", erklärt Botsch.

Modell lässt sich in zwei Richtungen anwenden

Das neue Computermodell kann aus einem gegebenen Schädel interaktiv mehre Gesichtsvarianten rekonstruieren, die sich in der Hautdickeverteilung unterscheiden. Foto: Universität Bielefeld/Hochschule RheinMain

Was ist nun das Besondere an dem Modell? Es lässt sich in zwei Richtungen anwenden. „Unser erstes Ziel war es, den Schädel einer Person anhand ihrer Gesichtsform zu berechnen“, sagt Schwanecke. Diese Methode wurde im vergangenen September auf dem Eurographics Workshop on Visual Computing for Biology and Medicine veröffentlicht. Doch auch das Gegenteil funktioniert: Die Forschenden können rekonstruieren, wie ein Gesicht ausgesehen haben könnte, wenn ihnen ein Schädel vorliegt. „Das ist zum Beispiel für die Forensik interessant, oder auch für die Anthropologie.“

Berechnen lässt sich mit dem Modell dann die dreidimensionale Form eines Gesichts. Dieses sieht allerdings ganz unterschiedlich aus, je nachdem, ob die Person sehr schlank oder aber übergewichtig ist. „Wir erstellen deshalb verschiedene Varianten“, erklärt Jascha Achenbach, der als Doktorand in Bielefeld an dem Projekt mitarbeitet. Eigentlich wirkt die Haut am Schädel vergleichsweise dünn und liegt eng an. Deshalb könnte man annehmen, dass man leicht vom Gesicht auf den Schädel schließen könnte. „Das ist aber nicht so einfach möglich“, sagt Prof. Dr. Botsch. Ein Grund dafür ist, dass die Dicke der Haut stark variiert: Je nachdem, wie dick oder dünn sie an den einzelnen Stellen ist, kann der Schädel darunter ganz unterschiedlich aussehen. Genau das berücksichtigen aber nun die statistischen Modelle.

Weniger Röntgenstrahlung bei kieferorthopädischen Behandlungen
"Ich gehe davon aus, dass wir auf Basis dieser Modelle zum Beispiel die Anzahl von Röntgenuntersuchungen bei kieferorthopädischen Behandlungen reduzieren können", sagt Prof. Dr. Schwanecke. Das erwarten auch Thomas Gietzen und Robert Brylka von der Hochschule RheinMain. Sie arbeiten als Doktoranden im Projekt Kephalos. "Notwendig für unsere Berechnung ist nur ein Oberflächenscan des Gesichts. Dieser kann zusätzlich noch durch eine einzige Röntgenaufnahme von der Seite unterstützt werden", sagt Thomas Gietzen.

Gefördert wird das Projekt Kephalos vom Bundesministerium für Bildung und Forschung.

Originalveröffentlichungen:
Thomas Gietzen, Robert Brylka, Jascha Achenbach, Katja zum Hebel, Elmar Schömer, Mario Botsch, Ulrich Schwanecke, Ralf Schulze: A method for automatic forensic facial reconstruction based on dense statistics of soft tissue thickness. PLOS ONE, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0210257, erschienen am 23. Januar 2019.

Zusammenarbeit von ZB MED mit Bioinformatik-Netzwerk

Technische Fakultät — Fri, 26 Oct 2018 13:11:00 +0200

Gemeinsame Entwicklung von Informationsdiensten für die Lebenswissenschaften geplant

Bereits seit einiger Zeit planen ZB MED – Informationszentrum Lebenswissenschaften und de.NBI – Deutsches Netzwerk für Bioinformatik-Infrastruktur eine strategische und inhaltliche Zusammenarbeit in verschiedenen Bereichen der Lebenswissenschaften. Die Geschäftsstelle des de.NBI-Netzwerks ist am Centrum für Biotechnologie der Universität Bielefeld angesiedelt. Mit einem Kooperationsvertrag haben nun ZB MED und die Universität Bielefeld die Zusammenarbeit auf die Zukunft ausgerichtet. Ziel ist es, gemeinsam komplementäre Informationsdienste für die Lebenswissenschaften anzubieten. Zu diesem Zweck wird unter anderem die gemeinsame Berufung einer W3-Professur anvisiert.

Die de.NBI-Initiative wird seit 2015 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen einer Projektförderung finanziert. Das bundesweite Netzwerk stellt der Forschung in den Lebenswissenschaften und der Biomedizin hochwertige Bioinformatik-Dienste und -Dienstleistungen, insbesondere auch eine Cloud-Infrastruktur, zur Verfügung. Das Angebot beinhaltet unterschiedliche Maßnahmen – vom User-Training bis hin zu speziellen IT-Diensten –, um Forschende in den Lebenswissenschaften dabei zu unterstützen, ihre teils großen Datenmengen (Big Data) effektiver zu nutzen.

„In den letzten Jahren hat die biomedizinische Forschung eine bemerkenswert schnelle Entwicklung durchgemacht – vor allem durch verbesserte und allgemein zugängliche IT-Infrastrukturen aber auch durch den Zugang zu wichtigen Forschungsdaten. Daher brauchen wir innovative Informationsinfrastrukturen für die Erschließung und Nutzung der Forschungsergebnisse. Mit dem Kooperationsvertrag haben wir die besten Voraussetzungen für die Entwicklung effizienter Lösungen geschaffen“, erläutert Prof. Dr. Dietrich Rebholz-Schuhmann, Wissenschaftlicher Leiter von ZB MED, die geplante Zusammenarbeit.

„Das de.NBI-Netzwerk wurde vom BMBF ins Leben gerufen, um eine Bioinformatik-Infrastruktur in Deutschland aufzubauen. Nach Auslaufen der BMBF-Förderung soll diese Bioinformatik-Infrastruktur durch Integration in das ZB MED-Institut nun verstetigt werden. Aus wissenschaftlicher Sicht sind ZB MED und de.NBI ideale Kooperationspartner.“, erklärt Prof. Dr. Alfred Pühler, Koordinator von de.NBI in Bielefeld.

Hintergrund-Information: Deutsches Netzwerk für Bioinformatik-Infrastruktur – de.NBI
Im Rahmen des Programms Gesundheitsforschung/Gesundheitswirtschaft der Bundesregierung und der nationalen Forschungsstrategie Bioökonomie wurde im März 2015 die Fördermaßnahme „Deutsches Netzwerk für Bioinformatik-Infrastruktur“ gestartet. Dieses Netzwerk besteht aus acht spezialisierten Leistungszentren mit Expertise in verschiedenen Teildisziplinen der Lebenswissenschaften und der Biomedizin, die gemäß ihrer jeweiligen Expertise spezifische Bioinformatik-Dienstleistungen vorhalten und kontinuierlich weiterentwickeln. Außerdem bieten sie intensive Trainings verschiedener Anwendergruppen aus Wissenschaft und Industrie. Daneben sollen Standards für die Datenspeicherung und die Datenanalyse, das Datenmanagement und den Datenaustausch etabliert werden. Das Netzwerk wird durch eine Koordinierungseinheit komplettiert, die Strategien für die langfristige und nachhaltige Etablierung der angebotenen Serviceleistungen und Datenressourcen entwickelt und die Einbindung von de.NBI in internationale Initiativen steuert.

Hintergrund-Information: ZB MED – Informationszentrum Lebenswissenschaften
ZB MED – Informationszentrum Lebenswissenschaften versteht sich als zentrale lebenswissenschaftliche Informationsinfrastruktur für Deutschland und Europa und als treibende Kraft bei der Schaffung einer vernetzten digitalen Wissensbasis. Aufbauend auf seinen einzigartigen Beständen bietet ZB MED forschungsbasierte Möglichkeiten zur Gewinnung von Informationen und Nutzung von Forschungsdaten in den Lebenswissenschaften. Als Dienstleister für die lebenswissenschaftliche Forschung ist ZB MED Partner für alle, die innovative Wege zur verbesserten Gewinnung, Verarbeitung und Nutzung von wissenschaftlichen Informationen und Forschungsdaten beschreiten wollen. Dazu bietet das Informationszentrum Literatur, Fachinformationen sowie darauf aufbauende Mehrwertdienste vor allem in digitaler Form über das semantikbasierte Suchportal LIVIVO, über das Publikationsportal PUBLISSO sowie vor Ort in Köln und Bonn an. Im Interesse einer qualitativ hochwertigen Versorgung mit wissenschaftlichen Informationen gehört die Förderung von Open Access zu den zentralen Prioritäten von ZB MED. Zudem betreibt das Informationszentrum anwendungsorientierte Forschung im Bereich „Knowledge Discovery“.

Weitere Informationen unter:
denbi.de
zbmed.de

Kein neuer Exzellenzcluster für Universität Bielefeld

Technische Fakultät — Fri, 28 Sep 2018 00:00:00 +0200

Rektor Sagerer: „Intelligente Systeme bleiben Forschungsschwerpunkt“

Der beantragte neue Exzellenzcluster der Universität Bielefeld hat sich in der finalen Runde der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder nicht durchgesetzt.

Im Wettbewerb zur Stärkung des Wissenschaftsstandorts Deutschland wurde der Bielefelder Antrag heute (27.09.2018) nicht bewilligt.
Rektor Sagerer ist enttäuscht, blickt jedoch nach vorn: „Interaktive Intelligente Systeme sind und bleiben auch ohne die Exzellenzförderung ein zentraler Forschungsschwerpunkt der Universität Bielefeld. Noch mehr: Wir werden diesen Bereich – insbesondere im Kontext der Medizin – weiterentwickeln. Die beteiligten Forscherinnen und Forscher gehören zu den herausragenden Vertreterinnen und Vertretern ihres Fachs. In den vergangenen Jahren hat sich dieser Forschungsbereich zu einem der drittmittelstärksten der Universität Bielefeld entwickelt. Wir werden uns jetzt auf weitere Förderformate, wie zum Beispiel Sonderforschungsbereiche, fokussieren.“

Seit Gründung des Exzellenzclusters CITEC 2007 haben CITEC-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler jährlich etwa sechs Millionen Euro zusätzlich zu den Mitteln der Exzellenzinitiative eingeworben.

Insgesamt hatten sich in der ersten Runde der Exzellenzstrategie 63 Hochschulen mit 195 Antragsskizzen beworben. 88 Projekte wurden von einem internationalen Expertengremium im Auftrag der Gemeinsamen Wissenschaftskonferenz (GWK) ausgewählt und zum sogenannten Vollantrag aufgefordert, darunter die Universität Bielefeld. Davon wurden heute 57 bewilligt.

Weitere Informationen:
www.dfg.de/service/presse/pressemitteilungen/2018/pressemitteilung_nr_43/index.html

Roboter zum Gernhaben

Technische Fakultät — Fri, 14 Sep 2018 00:00:00 +0200

Neues Projekt entwickelt sympathischen Roboter

Wie können Roboter das private Leben bereichern? Das untersucht ein Forschungsteam in dem neuen Projekt VIVA. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wollen einen ausdrucksstarken, sozialen Roboter entwickeln, der als vertrauensvoll und sympathisch wahrgenommen wird. In dem Projekt kooperieren Forschende aus dem Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC) der Universität Bielefeld, der Universität Augsburg und der Fachhochschule Bielefeld mit drei Unternehmen aus der IT-Branche. In einer Auftaktkonferenz vom 19. bis zum 21. September im CITEC-Gebäude kommen die Projektbeteiligten zusammen, um sich wissenschaftlich auszutauschen.

Die Forschenden des Exzellenzclusters CITEC arbeiten in dem Projekt VIVA anfangs mit dem sozialen Roboter Pepper. Im Lauf des Projekts wollen sie einen eigenen Roboter entwickeln. Foto: Friso Gentsch/CITEC

„In der Industrie sind Roboter längst etabliert. Im privaten Bereich sieht es noch anders aus“, sagt Professorin Dr. Friederike Eyssel aus dem Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC). „Wir nutzen bereits viele technische Assistenten, die uns im Alltag helfen oder unser Sozialleben unterstützen. Mit wachsender Verbreitung dieser Systeme wird es immer zentraler, dass Menschen sie akzeptieren und ihnen vertrauen.“

Das Interaktionsverhalten von Robotern so zu gestalten, dass Menschen Roboter auch im privaten und persönlichen Kontext als attraktive Bereicherung sehen – das ist das Ziel des neuen Projektes VIVA der Universitäten Bielefeld und Augsburg sowie der Fachhochschule Bielefeld, gemeinsam mit den Unternehmen navel robotics GmbH (München), Neuland Software GmbH (Augsburg) und Visions4IT GmbH (Gauting). Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt bis Ende Juli 2021 mit 2,67 Millionen Euro – gut 700.000 Euro davon gehen ans CITEC. Zu der Auftaktkonferenz des Projekts vom 19. bis zum 21. September im CITEC-Gebäude kommen alle Vertreterinnen und Vertreter zusammen, um Anwendungsfälle zu diskutieren und das weitere Vorgehen festzulegen.

„Mit dem Projekt VIVA wollen wir über die Grenzen aller bisherigen Social-Robot-Konzepte hinausgehen“, sagt Claude Toussaint von navel robotics in München. Er koordiniert das Projekt. „Wir wollen vielmehr eine sehr lebhafte Figur mit einem großen Herz für Menschen erschaffen, wie man sie bisher nur aus Animationsfilmen kennt. Das erfordert ein fein choreographiertes Zusammenspiel von absolutem Spitzen-Know-How aus unterschiedlichsten Disziplinen."

„Ein Roboter wird oft als vertrauenswürdig betrachtet, wenn er funktional verlässlich ist“, sagt Professor Dr.-Ing. Stefan Kopp vom CITEC. „Für einen sozialen Roboter ist entscheidend, dass der Mensch ihn in der Interaktion versteht und selber sicher sein kann, dass er vom Roboter verstanden wird. Dabei spielen Rückmeldungen – zum Beispiel durch den Blickkontakt – eine wichtige Rolle. Förderlich für Vertrauen ist auch der Bezug auf gemeinsame Erfahrungen und frühere Handlungen, was ein beständiges beidseitiges Lernen erfordert.“ Als Leiter der Forschungsgruppe Kognitive Systeme und soziale Interaktion entwickelt Kopp mit seinem Team die Architektur des Roboters und die Sprachdialogfähigkeiten.

„Der Roboter als vertrauensvoller Alltagsbegleiter soll jedoch keine zwischenmenschlichen Kontakte ersetzen, sondern die soziale Einbindung von Menschen unterstützen“, sagt Eyssel. Sie leitet die Forschungsgruppe Angewandte Sozialpsychologie und Geschlechterforschung am CITEC. Gemeinsam mit ihrem Team ist sie für die Evaluation des Projektes zuständig. Eyssel arbeitete bereits in dem EU-Forschungsprojekt CODEFROR (COgnitive Development for Friendly RObots and Rehabilitation) an der Frage, welche psychologischen Faktoren die Akzeptanz und die positiven Einstellungen gegenüber Robotern begünstigen.

Zunächst werden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit dem Roboter Pepper forschen. „Unser Ziel ist es aber, einen neuen Roboter zu entwickeln, der speziell auf die Herstellung von Sympathie und sozialer Resonanz ausgelegt ist“, sagt Stefan Kopp. „Als Nächstes werden wir an einem Prototypen arbeiten und dafür die technischen Grundlagen konzipieren.“

Der Projektname VIVA steht für: Vertrauen und Sympathie schaffender „lebendiger“ sozialer Roboter. Für das Projekt stehen 2,67 Millionen Euro zur Verfügung, davon kommen etwa 2,27 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung.

Weitere Informationen:
Projekt VIVA: www.technik-zum-menschen-bringen.de/projekte/viva

Kontakt:

Professor Dr.-Ing. Stefan Kopp
Universität Bielefeld
Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie
Telefon: 0521 106-12144
E-Mail: skopp@techfak.uni-bielefeld.de

Professorin Dr. Friederike Eyssel
Universität Bielefeld
Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie
Telefon: 0521 106-12044
E-Mail: friederike.eyssel@uni-bielefeld.de

Prof. Dr.-Ing. Stefan Kopp. Foto: CITEC

Prof.in Dr. Friederike Eyssel. Foto: Universität Bielefeld

Studierende wollen Nanopartikel ohne Schadstoffe herstellen

Technische Fakultät — Fri, 17 Aug 2018 00:00:00 +0200

Bielefelder Projekt im internationalen iGEM-Wettbewerb in Boston (USA)

Nanopartikel gewinnen in der Medizin und der Forschung immer mehr an Bedeutung. Durch ihre geringe Größe kommen sie beispielweise bei der Behandlung von Tumoren zum Einsatz. Bisher wurden Nanopartikel oft durch chemische Methoden gewonnen. Auf diese Weise entstehen Verunreinigungen und Rückstände, weshalb sie nur bedingt an Menschen einsetzbar sind. Neun Studierende der Universität Bielefeld stellen sich dieser Herausforderung und arbeiten an einer biologischen Methode, um Nanopartikel zu gewinnen. Damit sollen die Partikel schadstofffrei sein und kein Gesundheitsrisiko mehr darstellen. Die Studierenden aus unterschiedlichen Studiengängen der Universität Bielefeld nehmen mit ihrem Vorhaben am diesjährigen iGEM-Wettbewerb in Boston teil. Sie treten als Team des CeBiTec (Centrum für Biotechnologie) an.

Irina Rais und Antonin Lenzen identifizieren mit UV-Licht DNA-Fragmente. Foto: Team iGEM Bielefeld-CeBiTec

Der Wettbewerb iGEM steht für „International Genetically Engineered Machine“ und ist der bedeutendste, nicht-kommerzielle Wettbewerb in der synthetischen Biologie. Vom 25. bis 28. Oktober treten über 340 Teams aus mehr als 40 Ländern mit den von ihnen entwickelten Projekten in ver-schiedenen Kategorien gegeneinander an. Eine internationale Jury bewertet die Projekte und zeichnet die besten Teams aus.

Für das diesjährige Projekt möchte die Gruppe der Universität Bielefeld verschiedene Nanopartikel für die Bereiche Medizin, Forschung und Industrie herstellen. Kupfer, Gold, Silber und Eisenoxid sind Stoffe, aus denen die Studierenden Nanopartikel gewinnen wollen. Ein Beispiel für den Einsatz der Partikel im Alltag ist die Weiterverarbeitung zu einer Nanopartikel-Tinte, mit der ein handelsüblicher Tintenstrahldrucker Stromkreise auf Papier drucken kann.

Das iGEM-Team Bielefeld-CeBiTec 2018 (v.l.): Erika Schneider, Matthias Otto, Antonin Lenzen, Jakob Zubek, Christoph Geske, Levin Joe Klages, Johannes Ruhnau, Vanessa Krämer und Irina Rais. Foto: Team iGEM Bielefeld-CeBiTec

Das Team Bielefeld-CeBiTec stellt mit Hilfe des Modellorganismus Escherichia coli Nanopartikel her. Dafür suchten die Studierenden nach natürlichen Proteinen, die in der Lage sind, giftige Metallionen in die Zelle zu transportieren. Sie bauten die Proteine als Transporter in die Bakteri-enzellen ein. Die Studierenden fügten der Zelle zudem weitere Proteine zu, die die Metallionen reduzierten. So bildeten sich anschließend Nanopartikel. Bei der schadstofffreien Herstellung der Partikel arbeitet das Team zudem an der Behebung eines anderen ökologischen Problems: Die Gruppe nutzt Grubenwasser, wie es in stillgelegten Minen vorkommt, als Ausgangsstoff für die Nanopartikelgewinnung. Bisher musste das Abwasser aufwendig gereinigt werden, um die Verschmutzung von Gewässern und Trinkwasservorräten zu verhindern. „Indem wir die giftigen Metallionen herausfiltern, gewinnen wir nicht nur wertvolle Nanopartikel, sondern reinigen auch das Grubenwasser durch synthetische Biologie“, sagt Irina Rais vom Team Bielefeld-CeBiTec.

Das Team wird von Professor Dr. Jörn Kalinowski und Dr. Christian Rückert sowie erfahrenen iGEM-Teilnehmenden unterstützt. Als einziges deutsches Team nimmt die Gruppe aus Bielefeld zum neunten Mal in kontinuierlicher Folge am Wettbewerb teil. Zu den Erfolgen der vergangenen Jahre zählen zum Beispiel ein Vizeweltmeistertitel, der Europameistertitel und Sonderpreise für das beste Umweltprojekt. Zudem erhielt das Team bisher jedes Jahr aufs Neue eine Goldmedaille. Neben der Arbeit im Labor ist der Dialog mit der Öffentlichkeit von zentraler Bedeutung für den Er-folg des Projekts. Daher hat das Team unter anderem bei der CeBiTec-Schülerakademie und im Mitmach-Labor Teutolab Wissenswertes über das Projekt und die synthetische Biologie vermittelt. Darüber hinaus wurde die Thematik im Rahmen des Famelab-Wettbewerbs für Wissenschaftskommunikation der Öffentlichkeit vorgestellt.

Weitere Informationen:
Homepage: https://www.igem-bielefeld.de
Twitter: https://twitter.com/iGEM_Bielefeld
Facebook: https://www.facebook.com/igembielefeld

Wie Roboter Kindern einen Bären aufbinden

Technische Fakultät — Thu, 16 Aug 2018 16:08:18 +0200

„Science Robotics“: Studie von CITEC-Forscherin und Partnern

Können Roboter den gleichen Gruppendruck ausüben wie Menschen? Eine neue Studie zeigt, dass Kinder eine falsche Behauptung übernehmen, wenn sie von einer Gruppe von Robotern geäußert wird. Die Studie der Informatikerin Dr. Anna-Lisa Vollmer vom Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC) der Universität Bielefeld und ihrer Kollegen der englischen Plymouth University, des Max-Planck-Instituts für Bildungsforschung (Berlin) und der belgischen Ghent University ist nun im Fachmagazin „Science Robotics“ erschienen.

Wie wirkt sich die Anwesenheit von Robotern auf das menschliche Denken aus? Foto: Tony Belpaeme / Ghent University

Das Forschungsteam nutzte das „Konformitätsexperiment“, mit dem der Psychologe Salomon Asch in den 1950er Jahren bekannt wurde. Das Experiment zeigt, wie sehr eine Gruppe die Meinung eines Einzelnen beeinflussen kann. „Die Versuchspersonen müssen eine bildliche Darstellung beurteilen und hören dazu die falsche Einschätzung anderer Personen, die in das Experiment eingeweiht sind“, erklärt Anna-Lisa Vollmer von der Forschungsgruppe Angewandte Informatik, die zur Technischen Fakultät und dem Exzellenzcluster CITEC gehört und von Professorin Dr. Britta Wrede geleitet wird.

In der neuen Studie bilden nicht Menschen die „eingeweihte“ Gruppe, sondern drei Roboter vom Typ Nao. Die Humanoiden können sprechen und gestikulieren und sind deutlich kleiner als Erwachsene (etwa 60 Zentimeter). Die Studie war zweigeteilt. In der ersten Phase der Experimente untersuchten die Forschenden, ob Erwachsene ihr Urteil an das der drei anwesenden Roboter anpassen. In der zweiten Phase nahmen Kinder im Alter von sieben bis neun Jahren an den Experimenten teil. Die Versuchspersonen sahen auf einem Bildschirm einen senkrechten Strich. Sie sollten dessen Länge mit drei weiteren Strichen (A, B und C) vergleichen und sagen, welcher Strich gleich lang sei. Wenn die richtige Antwort „B“ lautete, behaupteten die Roboter zum Beispiel fälschlicherweise „C“ sei die korrekte Antwort.

Das Ergebnis: „Kinder geben dem sozialen Druck nach, den die Gruppe von Robotern ausübt“, sagt Anna-Lisa Vollmer. „Erwachsene hingegen halten dieser Beeinflussung stand, obwohl sie sich in der gleichen Situation von anderen Menschen beeinflussen lassen würden.“

Womöglich liege es an der Größe der Nao-Roboter, dass sie die Erwachsenen in der Untersuchung nicht beeinflussen konnten, sagt Vollmer. „Durch ihr Aussehen und ihre Größe wurden die Naos von Kindern vermutlich eher als ebenbürtig wahrgenommen.“ Allerdings hatten sich die Forschenden bemüht, die Größe auszugleichen: Die Sitzhöhe der Roboter war in beiden Versuchen an die Sitzhöhe der Teilnehmenden angepasst.

Die aktuelle Studie leistet Pionierarbeit. „Obwohl Kinder als künftig bedeutende Nutzergruppe angesehen werden, ist bis jetzt kaum bekannt, welchen Einfluss Roboter auf Kinder haben und wie sich Roboter-Verhalten auf die kindliche Entwicklung auswirkt“, sagt Anna-Lisa Vollmer.

Dr. Anna-Lisa Vollmer. Foto: Universität Bielefeld / CITEC

Das Ergebnis der Studie hat praktische Bedeutung für den Einsatz von humanoiden Robotern. „Es gibt Anwendungen, in denen eine Beeinflussung Vorteile bietet, wie zum Beispiel im Gesundheitswesen oder der Bildung“, sagt Anna-Lisa Vollmer. „Aber natürlich dürfen wir Missbrauch und falsche Anwendungen nicht außer Acht lassen. Wie soll zum Beispiel damit umgegangen werden, wenn mehrere Roboter in einem Geschäft für ein Produkt Werbung machen und eine Person dazu bringen, dieses Produkt zu kaufen, obwohl sie es sonst nicht gemacht hätte? Risiken bestehen auch, wenn ein autonom lernender Roboter falsche Schlüsse aus Sensordaten zieht und sich damit an Menschen wendet, die sich auf die Einschätzung des Roboters verlassen“, sagt Vollmer.

Für die Studie kooperierte die Bielefelder Informatikerin mit dem Robotiker Dr. Robin Read von der Plymouth University, mit dem Psychologen Dr. Dries Trippas vom Max-Planck-Institut für Bildungsforschung und dem Informatiker Professor Dr. Tony Belpaeme von der Ghent University.

Die 35-jährige Dr. Anna-Lisa Vollmer forscht seit 2008 zunächst als Doktorandin, dann als Postdoktorandin am Exzellenzcluster CITEC. Von 2011 bis 2014 war sie als Wissenschaftlerin an der Plymouth University tätig.

Originalveröffentlichung:
Anna-Lisa Vollmer, Robin Read, Dries Trippas, Tony Belpaeme: Children conform, adults resist: ro-bot group induced peer pressure on normative social conformity. Science Robotics. DOI: 10.1126/scirobotics.aat7111, erschienen am 15. August 2018.

Dem Gehirn auf der Spur

Technische Fakultät — Tue, 17 Jul 2018 11:47:03 +0200

„Human Brain“-Projekt an der Universität Bielefeld für zwei Jahre verlängert

Professor Dr. Ulrich Rückert, Forscher am Exzellenzcluster CITEC und an der Technischen Fakultät, arbeitet daran, das menschliche Gehirn mit Hilfe von computerbasierten Modellen besser zu verstehen. Das Projekt läuft EU-weit und hat das Ziel, Erkenntnisse zum Gehirn zu sammeln und miteinander zu vernetzen.

Professor Dr. Ulrich Rückert arbeitet beim „Human Brain“-Projekt mit. Foto: CITEC / Universität Bielefeld

Es ist eigentlich gar nicht so groß, dafür aber unglaublich komplex: „Wir wissen bis heute nicht genau, wie das Gehirn eigentlich funktioniert“, sagt der Ingenieur und Informatiker Professor Dr. Ulrich Rückert. Er ist am „Human Brain“-Projekt (HBP) beteiligt, bei dem es darum geht, Erkenntnisse über das menschliche Gehirn zu sammeln. Verschiedene internationale Projektgruppen forschen dabei am Gehirn und wollen es nicht nur verstehen, sondern auch abstrakt nachbilden.

Insgesamt ist das HBP auf zehn Jahre angelegt und soll bis 2023 laufen. Dabei gliedert sich das Projekt in verschiedene Teilphasen. Die aktuell dritte Phase läuft von 2018 bis 2020, die vierte Phase ist von 2020 bis 2023 vorgesehen. Für jede Phase sind die Gruppen aufgefordert, einen Antrag auf Weiterförderung zu stellen. Das Projekt, in dem die Universität Bielefeld mitarbeitet, wurde als „sehr gut“ begutachtet. Insgesamt sind für das EU-Projekt 1,19 Milliarden Euro vorgesehen.

„Wir haben relativ viel Detailwissen über das Gehirn“, sagt Rückert. Er ist Leiter der Forschungsgruppe Kognitronik und Sensorik der Technischen Fakultät der Universität Bielefeld, die auch zum Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC) der Universität Bielefeld gehört.

Es ist beispielsweise klar, dass Nervenzellen durch elektrische Impulse miteinander agieren. „Außerdem sind die Funktionen einzelner Regionen des Gehirns bekannt“, sagt Rückert. Aber: Wie die molekulare Ebene des Gehirns mit den großflächigen Strukturen zusammenhängt, ist nicht klar. „An dieser Stelle klafft noch eine große Lücke“, sagt der Ingenieur.

Das Gesamtprojekt hat das Ziel, das Wissen über das menschliche Gehirn zusammenzutragen und es miteinander zu vernetzen. Dieses Wissen soll insbesondere der Medizin und der Informatik dienen: Wenn es gelingt, das Gehirn möglichst exakt nachzubilden, könnte man zum Beispiel neurologische Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson besser verstehen und vielleicht heilen. Auch Wirkung und Nebenwirkung von Medikamenten ließen sich maschinell austesten.

Ulrich Rückert befasst sich beim HBP mit dem assoziativen Gedächtnis. Er forscht dazu an neuronalen Netzwerken. „Es geht dabei darum, eine neue Architektur für Rechner zu entwickeln“, sagt er. Computer können manche Dinge unglaublich effizient: Schach spielen zum Beispiel oder Rechenaufgaben lösen. „Sie sind immer dann gut, wenn es feste Regeln und Strukturen gibt“, sagt Rückert.

Ganz anders aber arbeitet das menschliche Gehirn: Es ist sehr stark darin, verschiedene Dinge miteinander in Beziehung zu setzen. „Wir betreten zum Beispiel ein Zimmer und wissen sofort, wo wir sind und wo im Raum wir uns befinden“, sagt Rückert. „Für einen Computer wäre das hingegen eine sehr komplizierte Rechenoperation.“

Das Gehirn arbeitet nach ganz anderen Prinzipien als ein Rechner. „Ein Rechner braucht oft 1000-mal mehr Energie als das Gehirn für eine solche Operation“, sagt Rückert. „Wenn wir nachbilden können, wie das Gehirn arbeitet, dann lässt sich an vielen Stellen der Energieumsatz technischer Systeme reduzieren.“ Das gilt für ganz verschiedene Systeme in der Robotik, zum Beispiel für das autonome Fahren. „Ein großes Problem ist dabei bislang die Energieversorgung“, sagt der Wissenschaftler. „Eine Lösung wäre, wenn bestimmte Prozesse wie zum Beispiel die Orientierung energieeffizienter ablaufen.“

Das Gehirn ist nicht einmal besonders schnell – aber es geht sparsam mit Energie um. „Ein Rechner ist bei einer Einzeloperation schneller“, sagt Rückert. „Aber eine große Stärke des Gehirns ist es, dass verschiedene Prozesse parallel laufen und miteinander verknüpft werden.“ Die Modelle dazu entstehen im HBP vorrangig virtuell, werden aber auch analog nachgebaut.

Rückert hat aktuell die Aufgabe bekommen, die neuronalen Modelle zweier Forschungsgruppen aus Heidelberg und Mannheim zu bewerten. „Wir arbeiten rege zusammen und haben einen intensiven Austausch in den einzelnen Gruppen des Projekts“, sagt Rückert. „Ich bin sehr gespannt auf die Ergebnisse.“

Weitere Informationen:
www.humanbrainproject.eu

Tiere sind Prototypen für die Robotik

Technische Fakultät — Wed, 11 Jul 2018 11:48:37 +0200

Von Hummeln und Bewegungsdetektoren: Citec-Forschende präsentieren bei Europäischer Konferenz für Neurowissenschaften

Die Selbstverständlichkeit, mit der sich Lebewesen in ihrer Umgebung orientieren und bewegen, Hindernissen ausweichen, und wieder nach Hause finden ohne dass ihr Gehirn für diese komplexen Leistungen viel Energie verbraucht – das ist das Vorbild jener Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die auch Roboter mit solchen Fähigkeiten ausstatten wollen. Denn auf diesem Gebiet liegen noch immer Welten zwischen Hirn und Elektronik. Der Austausch zwischen Verhaltensneurologen und Wissenschaftlern aus der Robotik steht im Mittelpunkt eines Symposiums auf dem FENS Forum 2018 (07.-11.07.) in Berlin, der europäischen Tagung für Neurowissenschaften. Zwei Bielefelder Citec-Forschende präsentieren dort ihre Ergebnisse.

Hummeln haben zwar ein kleines Gehirn, doch damit kommen sie bei der Futtersuche ziemlich weit herum. Je nach Spezies beträgt ihr Radius bis zu drei Kilometer. Auf der Flugroute wimmelt es nicht nur von Feinden, sondern auch von Hindernissen. Wechselnde Windstärken und Windrichtungen kommen hinzu. Die Insekten müssen ihren Flug durch eine wechselhafte Umgebung steuern, großflächig navigieren und lernen, wie sie eine gute Futterquelle wiederfinden und heim ins Nest kommen.

„Wenn Hummeln erstmals ihr Nest verlassen, unternehmen sie zunächst Lernflüge, um sich die Umgebung einzuprägen, damit sie wieder zurückfinden“, sagt Dr. Olivier Bertrand von der Abteilung für Neurobiologie der Universität Bielefeld. „Diese Flüge haben ein loop-artiges Muster, wobei das Muster von Tier zu Tier variiert, wie unsere Studien zeigen. Wir vermuten, dass die Hummeln dabei Momentaufnahmen von ihrer Umgebung im Gehirn abspeichern, deren Nützlichkeit bei nachfolgenden Flügen überprüft wird.“

Die Forschung von Professorin Dr. Elisabetta Chicca ebnet den Weg für die autonome Navigation.

Neuromorphe Systeme ähneln den neuronalen Netzwerken des Gehirns. Ihre Hardware ist hochspezialisiert und hochgradig vernetzt. Ein Team um Professorin Dr. Elisabetta Chicca von der Universität Bielefeld hat ein neuromorphes Modell entwickelt, das autonomen mobilen Systemen die Fähigkeit geben soll, in komplexen Umgebungen besser zu navigieren und Hindernissen auszuweichen. Die „Laseraugen“ (Laser-Distanzsensoren) selbstfahrender Autos erkennen zwar Hindernisse, sind jedoch trotz langjähriger Entwicklung sehr teuer. Sie verbrauchen viel Energie und – wie aktuelle Vorfälle gezeigt haben – kommt es zu Fehlinterpretationen in bestimmten Situationen. Hier könnte das System der Bielefelder Wissenschaftler Fortschritte bringen.

„Wir haben einen neuen elektronischen Bewegungsdetektor entwickelt, den „Spiking Elementary Motion Detector“, der die relative Bewegung von Objekten erfassen kann“, sagt Professorin Chicca. Was eine „relative Bewegung“ ist, kennt jeder Auto- oder Zugfahrer: Der Kirchturm in der Ferne gleitet langsam vorbei, während der Baum am Straßenrand sehr schnell vorbei rauscht. Insekten nutzten solche Informationen bei der Navigation im Gelände, um Kollisionen zu vermeiden.

Der neue Bewegungsdetektor, kurz sEMD genannt, ist eine technische Nervenzelle mit einer künstlichen Synapse. Er kann Signale aufnehmen und Signale produzieren, wenn zwei Impulse innerhalb einer bestimmten Zeit eintreffen– darum der Namenszusatz „spiking“. Ein Chip kann tausende dieser Detektoren tragen, je nach Experiment.

Ihren Input erhalten die Detektoren von innovativen neuromoprhen Kameras, produziert von einem Unternehmen in der Schweiz. Im Unterschied zu normalen Kameras produzieren die einzelnen Pixel der Sensoren in diesen Kameras eigenständig nur dann ein Signal, wenn sich etwas in ihrem „Blickfeld“ verändert. Diese Signale werden von rezeptiven Feldern des Bewegungsdetektors aufgefangen. Jeder Detektor besitzt zwei Rezeptive Felder, bei denen jeweils die Signale von neun Pixeln einlaufen. Wird mehr als die Hälfte der Pixel eines rezeptiven Feldes aktiviert, produziert das rezeptive Feld ein Signal, das vom Detektor weiterverarbeitet wird. Aus den zeitlichen Abständen zwischen den Signalen von zwei benachbarten Rezeptiven Feldern kann der Detektor die relative Geschwindigkeit berechnen, mit dem sich ein Gegenstand vor der Kamera bewegt. „Unsere Experimente zeigen, dass es möglich ist, Informationen für die Navigation von Robotern zu generieren, die Kollisionen vermeiden“, erklärt Professorin Chicca. „Unsere Ergebnisse ebnen den Weg zum Bau von Low-Power-Kompaktsystemen für die autonome Navigation. Zusätzlich ist der sEMD ein universell einsetzbares Element zur Berechnung von Zeitdifferenzen und kann darum auch für die Verarbeitung andere Sinnesreize genutzt werden, beispielsweise für die Ortung einer Schallquelle.

Bielefelder Roboter gewinnt Weltmeisterschaft in Kanada

Technische Fakultät — Mon, 25 Jun 2018 11:45:10 +0200

Team vom Exzellenzcluster CITEC setzt sich im Finale des RoboCup durch

Ein Team von Studierenden und Forschenden des Exzellenzclusters Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC) der Universität Bielefeld hat bei der RoboCup-Weltmeisterschaft in Montreal (Kanada) gewonnen. Der RoboCup ist der weltweit führende und größte Wettbewerb für intelligente Roboter. Das „Team of Bielefeld“ (ToBi) zeigte mit Roboter Pepper in der Haushaltsliga sein Können. Mehr als 400 Teams aus aller Welt traten vom 18. bis zum 22. Juni in verschiedenen Ligen gegeneinander an. Jetzt sind die Forschenden zurück in Bielefeld.

Das CITEC-Team erreichte mit Pepper bei der RoboCup-Weltmeisterschaft den ersten Platz in der Haushaltsliga. Foto: Universität Bielefeld/CITEC

Dr. Sven Wachsmuth, Leiter des Zentrallabors am CITEC und sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Florian Lier leiteten das Team zusammen mit dem Masterstudenten Johannes Kummert. „Es ist großartig zu sehen, wie sich die Studierenden von der ersten Vorbereitung bis zum Wettbewerb entwickelt haben“, sagt Wachsmuth. „Sie haben gelernt, mit komplexen Systemen wie Robotern umzugehen und eigenständig mit diesen zu arbeiten. Dass wir nun einen ersten Platz erzielen konnten, ist natürlich ein großartiger Erfolg.“

Lier ergänzt: „Das Team hat sich sehr gut darauf vorbereitet, auch mit Unwägbarkeiten umzugehen. Die Infrastruktur vor Ort ist anders als im Labor. Die Studierenden haben viel Arbeit reingesteckt, die Software so stabil wie möglich zu entwickeln und das ist ihnen perfekt gelungen.“

Die Bielefelder Studierenden entwickelten die Software von Pepper weiter, sodass der Ro-boter wesentlich robuster auf sein Umfeld reagieren kann. Foto: CITEC/F. Gentsch

In der Haushaltsliga musste ihr Roboter verschiedene Assistenten-Aufgaben möglichst präzise meistern, beispielsweise als Kellner agieren, Einkäufe ins Haus bringen, den Geschirrspüler einräumen, Besucherinnen und Besuchern eine Einführungstour in den RoboCup geben und sich in unbekannten Umgebungen zurechtfinden. Das CITEC-Team trat in der Social Standard Platform League (SSPL) an, einer Unterliga der Haushaltsliga. In der SSPL ist die Teilnahme nur mit dem von der Firma Softbank produzierten Roboter Pepper möglich. Platz zwei belegte das Team aus Australien, wo der nächste RoboCup stattfindet. Den dritten Platz erreichte die Gruppe aus Chile.

Studentin Janneke Simmering aus dem Team nahm das erste Mal an der Roboter-Weltmeisterschaft teil: „Spannend war die Frage: Macht der Roboter, was er soll? Wir haben viele Wochen an der Software programmiert und versucht, uns auf so viele Faktoren und Eventualitäten wie möglich vorzubereiten. Es ist ein großartiges Gefühl, wenn sich die Arbeit gelohnt hat. Das feiern wir nun.“

Dr. Sven Wachsmuth koordiniert das RoboCup-Team. Foto: CITEC / F. Gentsch

Die Mitglieder des diesjährigen Teams sind: Robert Feldhans, Felix Friese, Kai Konen, David Leins, Jan Patrick Nülle, Sarah Schröder, Janneke Simmering, Philipp von Neumann-Cosel, Johannes Kummert, Florian Lier und Sven Wachsmuth. Die Vorbereitung des RoboCups ist eingebettet in eine Lehrveranstaltung – jedes Jahr arbeiten andere Studierende in dem Team mit. Seit 2009 ist der Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC) beim RoboCup dabei. 2016 gelang es dem Team das erste Mal den Weltmeistertitel zu holen, dreimal schaffte es das Team auf Spitzenplätze: 2012 in Mexiko, 2015 in China und 2017 in Japan jeweils auf Platz drei.

Der Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC) der Universität Bielefeld ist einer von 43 Exzellenzclustern in Deutschland und der einzige Cluster mit einem Schwerpunkt in Robotik. CITEC arbeitet daran, technische Systeme intuitiv bedienbar zu machen. Sein interdisziplinärer Ansatz verbindet Kognitionsforschung und Technik. CITEC wird seit 2007 als Teil der Exzellenzinitiative von Bund und Ländern gefördert. Rund 250 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschen am Cluster.

Weitere Informationen:
• Weltmeisterschaft: www.robocup2018.org
• Pressemitteilung vom 1.6.2018: https://bit.ly/2Ioxjaa

19.03.2018 | 12. CeBiTec Symposium: Big Data in Medicine and Biotechnology

Technische Fakultät — Mon, 26 Feb 2018 16:09:18 +0100

Das Zentrum für Biotechnologie (CeBiTec) der Universität Bielefeld, das Bielefelder Zentrum für Datenverarbeitung ( BiCDaS ) sowie das Deutsche Netzwerk für Bioinformatik-Infrastruktur ( de.NBI ) laden Sie herzlich zur Teilnahme am 12. CeBiTec Symposium Big Data in Medizin und Biotechnologie ein. Mehr ...