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TU Berlin

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Sonderforschungsbereich 910

Netzwerke steuern – Kommunikation verbessern – Leben retten

Dienstag, 05. April 2011

Im neuen Sonderforschungsbereich 910 sollen Visionen von der Kontrolle nichtlinearer Systeme Wirklichkeit werden

Herr Professor Schöll, Inhalt des neuen Sonderforschungsbereichs 910 ist die Erforschung nichtlinearer Dynamik oder nichtlinearer Systeme. Was steckt hinter diesen abstrakten Begriffen?

Sonderforschungsbereich „Kontrolle selbstorganisierender nichtlinearer Systeme: Theoretische Methoden und Anwendungskonzepte“ – Prof. Dr. Eckehard Schöll, Ph. D. (Sprecher, r.), Prof. Dr. Sabine Klapp (stellv. Sprecherin) und Dr. Philipp Hövel (Geschäftsf
Lupe

Fast alle Systeme, mit denen wir es im täglichen Leben zu tun haben, sind nichtlinear, vor allem lebende Organismen wie Pflanzen oder Tiere, aber auch technische Systeme. Alle haben gemeinsam, dass sie sich aus sich selbst heraus organisieren und neue Strukturen bilden können. Da kleine Änderungen in nichtlinearen Systemen große Auswirkungen haben, ist ihre Dynamik, ihre zeitliche Entwicklung, schwer voraussagbar. Sie sind komplex und zeigen reichhaltigeres dynamisches Verhalten. Diese Dynamik wollen wir nun versuchen zu beeinflussen und zu steuern, sodass wir kontrolliert ein gewünschtes Verhalten des Systems erzeugen können. Ein wichtiger Teil dieser Forschung beschäftigt sich mit komplexen Systemen, die aus verschiedenen Teilkomponenten zusammengesetzt sind, sogenannten „dynamischen Netzwerken“. Sie sind überall zu finden: das Internet, die Stromversorgungsnetze, der Verkehr, soziale Netzwerke, neuronale Netzwerke im Gehirn, Netzwerke in der Kommunikation oder gekoppelte Laser.

Ist eine Kontrolle dieser dynamischen Netzwerke überhaupt denkbar?

Zunächst müssen wir verstehen, wie sie funktionieren. Das Wetter zum Beispiel können wir nicht kontrollieren. Aber wir können verstehen, welche Einflüsse zu bestimmten Wetterentwicklungen führen. Unsere Vision von Kontrolle ist vor allem die Ausnutzung der selbstorganisierenden Kräfte in nichtlinearen Systemen, um eine gewünschte zeitliche Entwicklung zu erzeugen. Im Gegensatz zur klassischen Kontrolle, die durch massives Einwirken eines Aktuators das System „invasiv“ verändert – zum Beispiel bei bestimmten Hirnerkrankungen wie Epilepsie durch gezielte Stromstöße –, wollen wir durch Ausnutzung der inneren Dynamik des Systems, durch Rückkopplungsschleifen das Verhalten beeinflussen. Im Idealfall wird das System durch Rückkopplungsschleifen so aufgebaut, dass es sich selber in die gewünschte Richtung steuert. In der Robotik ist das zum Beispiel wichtig. Wir nennen das dann nicht-invasive Kontrolle oder „closed-loop control“. Ein Paradebeispiel hierfür sind Rückkopplungsschleifen mit Zeitverzögerung, die vielseitige Anwendungen finden können, zum Beispiel in chaotischen Lasern, in komplexen Netzwerken, in chemisch aktiven Systemen oder in der Biologie und Medizin. Gerade an der TU Berlin haben wir in den vergangenen Jahren zur zeitverzögerten Rückkopplungskontrolle Pionierarbeit geleistet.

Wie und wo kann die Anwendung einer solchen Chaoskontrolle wichtig werden?

Wie und wo kann die Anwendung einer solchen Chaoskontrolle wichtig werden?

Zum Beispiel in dem sich selbst organisierenden, dynamischen System unseres Körpers. Herzrhythmusstörungen – um die geht es auch in der Langzeitvision eines der Teilprojekte – werden durch unkontrolliert über den Herzmuskel wandernde spiralförmige Erregungswellen hervorgerufen, was zum Tod führen kann. Durch Rückkopplungsmethoden will man versuchen, diese Spiralwellen zu unterdrücken beziehungsweise zu kontrollieren. Bestimmte Störungen im Gehirn werden ebenfalls durch unkontrollierte Erregungswellen hervorgerufen und führen hier zum Beispiel zu Migräne, Schlaganfällen oder Epilepsie. Bekannt ist die sogenannte „Aura“, eine visuelle Halluzination, die bei 30 Prozent aller Migränepatienten auftritt. Dabei laufen Erregungswellen über die Sehrinde im Gehirn. Ähnliche Phänomene gibt es bei Schlaganfall. Eine Kontrolle könnte hier nicht nur die Lebensqualität steigern, sondern lebensrettend wirken. Aber auch die Technik bietet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten: das Internet, der Verkehr, das Stromnetz, Laser in Kommunikationsnetzen. Eine Störung in diesen Netzwerken führt schnell zum Zusammenbruch des gesamten Systems. Doch um sie zu kontrollieren, muss man sie verstehen. Welchen Knoten darf man nicht lahmlegen, welche Kopplungen spielen eine entscheidende Rolle? Diese Fragen kann man mit den Methoden zur Kontrolle nichtlinearer Netzwerke angehen.

Warum kann gerade die theoretische Physik bei diesen konkreten Problemen helfen?

Die theoretische Physik ist methodisch ausgerichtet. Sie entwickelt übergreifende Konzepte und Methoden, die auf ganz verschiedene Probleme anwendbar sind. Das System wird analysiert, abstrahiert und durch ein einfaches Modell abgebildet. Die große Kunst dabei ist, zu entscheiden, was ist essenziell, was kann ich weglassen? Diese einfachen Modelle werden dann untersucht, egal, ob dies ein nanotechnologisches Bauelement oder ein soziales Netzwerk, zum Beispiel die Koautorenschaft in wissenschaftlichen Publikationen, ist. Die breite Anwendbarkeit unserer Ergebnisse ist genau das zentrale Anliegen in diesem Sonderforschungsbereich: Wir arbeiten deshalb nicht material- oder systemorientiert, sondern methodisch. Die potenzielle Anwendbarkeit bezieht daher auch Bereiche ein, an die wir heute noch gar nicht denken. Vor zehn Jahren hätten wir es auch noch nicht für möglich gehalten, dass die biologische Physik oder die sozioökonomischen Systeme eine solche Befruchtung durch die theoretische Physik erfahren.

Damit die Forschung aber auch konkret ist, haben Sie drei Bereiche ausgesucht, aus denen Vorgänge exemplarisch untersucht werden. Welche?

Der Sonderforschungsbereich besteht aus 14 Teilprojekten, die alle untereinander sowie mit externen Partnern vernetzt sind. Sie erarbeiten neuartige theoretische Kontrollmethoden sowie beispielhafte Anwendungen, und zwar erstens aus dem Bereich der Nanostrukturen, der Halbleiter-Quantenstrukturen, zweitens aus der weichen Materie im Nichtgleichgewicht – hier werden Kolloid-Systeme untersucht, also komplexe Flüssigkeiten, die eine innere Struktur oder aktive Biomembrane aufweisen – und drittens neuronale Systeme und Netzwerke aus dem medizinischen Bereich. Dennoch sind wir – ein Alleinstellungsmerkmal – ein rein theoretisch arbeitender Sonderforschungsbereich. Das heißt aber nicht, dass Experimente in unserer Forschung fehlen. Fast alle Arbeitsgruppen arbeiten eng mit experimentellen Gruppen irgendwo auf der Welt zusammen. Diese haben wir bewusst nicht als Teilprojekte in den Sfb aufgenommen. So erhalten wir uns die Flexibilität, die geeigneten Gruppen auszuwählen, ohne das von der DFG vorgeschriebene Ortsprinzip zu verletzen, und bei vielen dieser neuartigen Untersuchungen wissen wir jetzt noch gar nicht, wer die passenden Experimente macht. Neuartig ist das Konzept auch im Hinblick darauf, dass wir darin verschiedene wissenschaftliche Communities zusammenbringen, die sich parallel zueinander mit Kontrolltheorien beschäftigen, bisher aber von ihren Ergebnissen nicht gegenseitig profitieren konnten. Das geht von der angewandten Mathematik über die theoretische Physik bis zur Neuroinformatik.

Der Sonderforschungsbereich besteht aus 14 Teilprojekten, die alle untereinander sowie mit externen Partnern vernetzt sind. Sie erarbeiten neuartige theoretische Kontrollmethoden sowie beispielhafte Anwendungen, und zwar erstens aus dem Bereich der Nanostrukturen, der Halbleiter-Quantenstrukturen, zweitens aus der weichen Materie im Nichtgleichgewicht – hier werden Kolloid-Systeme untersucht, also komplexe Flüssigkeiten, die eine innere Struktur oder aktive Biomembrane aufweisen – und drittens neuronale Systeme und Netzwerke aus dem medizinischen Bereich. Dennoch sind wir – ein Alleinstellungsmerkmal – ein rein theoretisch arbeitender Sonderforschungsbereich. Das heißt aber nicht, dass Experimente in unserer Forschung fehlen. Fast alle Arbeitsgruppen arbeiten eng mit experimentellen Gruppen irgendwo auf der Welt zusammen. Diese haben wir bewusst nicht als Teilprojekte in den Sfb aufgenommen. So erhalten wir uns die Flexibilität, die geeigneten Gruppen auszuwählen, ohne das von der DFG vorgeschriebene Ortsprinzip zu verletzen, und bei vielen dieser neuartigen Untersuchungen wissen wir jetzt noch gar nicht, wer die passenden Experimente macht. Neuartig ist das Konzept auch im Hinblick darauf, dass wir darin verschiedene wissenschaftliche Communities zusammenbringen, die sich parallel zueinander mit Kontrolltheorien beschäftigen, bisher aber von ihren Ergebnissen nicht gegenseitig profitieren konnten. Das geht von der angewandten Mathematik über die theoretische Physik bis zur Neuroinformatik.

Was planen Sie für die Nachwuchsförderung?

Ein besonderes Anliegen sind uns die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses sowie spezielle Maßnahmen zur Gleichstellung und zur Vereinbarkeit von Wissenschaft und Familie. Dazu planen wir Fördermaßnahmen auf allen Stufen von Bachelor- und Masterstudierenden über Doktorandinnen und Doktoranden bis zum Postdoktorandenstadium. Durch ein Mentorenprogramm, in dem junge Nachwuchswissenschaftlerinnen von älteren erfahrenen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern begleitet werden, soll versucht werden, Frauen für die Naturwissenschaften aktiv zu gewinnen und zu fördern. In internationale Kooperationen mit führenden Forschergruppen in aller Welt sollen die jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler schon frühzeitig eingebunden werden. Eine enge Kollaboration ist auch mit den bereits existierenden Graduiertenkollegs und -schulen geplant, so mit dem in unserem Institut für Theoretische Physik angesiedelten Graduiertenkolleg „Nonequilibrium Collective Dynamics in Condensed Matter and Biological Systems“ mit dem neuen Graduiertenkolleg „Verarbeitung sensorischer Informationen in neuronalen Systemen“, Sprecher Professor Klaus Obermayer, sowie mit der Berlin Mathematical School.

Das Gespräch führte Patricia Pätzold / Quelle: "TU intern", 4/2011

Kolloquium zum Auftakt

Eine Festveranstaltung gibt am 28. April 2011 den offiziellen Startschuss für den neuen Sonderforschungsbereich 910 „Kontrolle selbstorganisierender nichtlinearer Systeme: Theoretische Methoden und Anwendungskonzepte“, der 14 Teilprojekte aus drei Berliner Universitäten und drei außeruniversitären Forschungseinrichtungen unter der Sprecherschaft von TU-Professor Dr. Eckehard Schöll, Ph. D. vom Institut für Theoretische Physik vereint. Der Gastvortrag wird von Prof. Dr. Edward Ott von der University of Maryland, College Park, USA, gehalten: „Synchronism in Large Networks of Oscillators: An Emergent Behavior of Complex Systems“. Wieso blinken Schwärme von Feuerfliegen im gleichen Rhythmus, gibt die innere Uhr von Tieren einen regelmäßigen Tag/Nacht-Rhythmus vor? Wer steuert den Herzschlag im Gleichtakt oder Fußgänger, die über eine Brücke gehen? Wie
organisieren sich die gleichförmigen Schwingungen gekoppelter Laser oder die von schäumenden Flüssigkeiten? Solche und andere Systeme aus ganz unterschiedlichen Bereichen werden vielfach als große Netzwerke aus vielen gekoppelten schwingungsfähigen Elementen modelliert. Edward Ott demonstriert in seinem Vortrag eine kürzlich entwickelte, sehr allgemeine Technik, die solche Modelle zur Beschreibung der Langzeitdynamik vereinfacht. Professor Edward Ott ist einer der Pioniere der Kontrolle nichtlinearer Systeme. Seine bahnbrechenden Arbeiten zur Chaoskontrolle sind weltweit viele Tausend Mal zitiert worden.

Kolloquium
Zeit:
Donnerstag, 28. April 2011, 17 Uhr
Ort:
TU Berlin, Hardenbergstraße 36, Eugene-Paul-Wigner-Gebäude, Hörsaal EW 201, 10623 Berlin
www:
www.itp.tu-berlin.de/sfb910
pp / Quelle: "TU intern", 4/2011

Zusatzinformationen / Extras

Quick Access:

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