Neues aus den Labors des MIT

Auf der Suche nach Erkenntnis und Märkten

Das Massachusetts Institute of Technology ist komplex: Über die Naturwissenschaft hinaus kann man dort ja auch Literatur, Geschichte, Musik und Theaterwissenschaften studieren. So kann es nicht verwundern, wenn ab und an auch Gebiete in den Mittelpunkt gerückt werden, die Bedeutendes leisten, aber weniger im Rampenlicht stehen.

So äußerte sich Prof. Stephen J. Leppard über die „stille Revolution der Chemie“. Als Beispiel nannte er die Forschung an Molekülen, welche ungewöhnliche Eigenschaften und Reaktionen zeigen. Ein generelles Problem der Chemie ist, dass Arbeiten und Ergebnisse weder unmittelbar gesehen noch direkt verfolgt werden können. Daraus resultiert eine gewisse Ferne, was den sichtbaren Nutzen angeht: Neue chemische Formeln als Ergebnisse sind für die Öffentlichkeit wenig „greifbar“. Was ein Nachteil gegenüber den Ingenieurwissenschaften ist, die meist auch etwas fürs Auge liefern.
Leppard nannte also Endziele, die man auf Sicht erreichen möchte: Aus einem einzigen Tropfen Blut z. B. das gesamte Gesundheitsprofil zu entnehmen. Oder chemische Fabriken realisieren, die keinerlei Abgase und Abfälle erzeugen. Aber auch für die Ingenieurwissenschaften hat man Ziele an der Hand: Brücken, die nicht mehr korrodieren. Oder wie wäre es mit einem chemischen Prozess, der CH4 (Methan) zu Methanol (CH3OH) umwandelt – mit aktiver Hilfe von Bakterien. Energie aus der Luft fürs fahrende Auto – eine Vision natürlich nur, weil die benötigten Energiemengen gar nicht aus der Luft zu generieren wären.
Mehr wissenschaftlich ausgedrückt: Man will die Orientierung einzelner Moleküle gegeneinander klären und steuern, will herausfinden, ob man z. B. mit elektromagnetischer Energie Moleküle gezielt aufbrechen kann. Dafür muss man zunächst aber die Interaktion zwischen den Molekülen verstehen. Katalytische Antikörper sind ein anderes Forschungsobjekt. Der Kampf gegen die Luftverschmutzung in großen Städten ist ein weiteres großes Thema, welches auf den Nägeln brennt.
Und dann wird bei den Chemikern am MIT noch an selbstorganisierenden Molekülen gearbeitet, die in supramolekulare Strukturen gebracht werden können. Die fast schon „klassischen“ Arbeiten in der Chemie werden darüber nicht vergessen: Ungewöhnliche Verbindungen schaffen aus chemischen Elementen und Grundbausteinen, die in ihrer Kombination völlig neue Eigenschaften zeigen.

Mensch-Maschine
Prof. Mriganka Sur, Fairchild Professor of Neuroscience, hatte sich ein Thema vorgenommen, das auf Grund seiner Exotik aufmerksame Zuhörer anzog: Gehirnimplantate und Intelligente Maschinen. In den letzten zwanzig Jahren hat die Menschheit mehr über das Gehirn gelernt als in Jahrhunderten zuvor. Aber wie entwickelt sich das Gehirn?
Zwei Fakten unterscheiden Hirnzellen von anderen Körperzellen: Hirnzellen erzeugen Impulse, die sogenannten „Spikes“. Das machen andere menschliche Zellen nicht. Und Hirnzellen sind physikalisch nicht miteinander verbunden, sondern zwischen ihnen ist eine kleine Spalte, über die die Information „hinweggefunkt“ wird. Kalzium und Magnesium sind dabei Katalysatoren zwischen zwei benachbarten Synapsen.
In vitro kann man heute neurale Netzwerke bauen. Auch die Verbindung lebender Neuronen mit Gate-Elektroden von Feldeffekttransistoren ist auf der Welt schon gelungen (Bild 1). Jede Hirnzelle hat etwa 10.000 Synapsen, es gibt rund 100 Trillionen Synapsen im Gehirn – das ist ein riesiges Netzwerk. Nach Hirnoperationen kann das Gehirn in beschränktem Maß verloren gegangene Funktionen durch Training wieder übernehmen. Welches aber sind die Regeln, nach denen dies Netzwerk geformt wird?
Seit hundert Jahren weiß man, dass Gehirnzellen unterschiedlich aussehen – sie steuern aber auch unterschiedliche Dinge, wie Hören und Fühlen, Sehen und Sprechen. Wir können zum Beispiel sehr gut Linien aufnehmen und daraus Konturen realisieren. Die Augen selbst haben keine Orientierungsfähigkeit, wohl aber das Gehirn. Man weiß auch einiges über den Einfluss von Sprache auf das menschliche Verhalten. So beeinflusst das Hin- und Herspringen zwischen zwei Sprachen während des Gesprächs kaum das intuitive Verhalten. Wenn aber Kopfrechnen gefragt ist, dann macht sich ein plötzlicher Wechsel der Sprache (zum Beispiel bei der Nennung von Zahlen oder mathematischer Operationen) in deutlichen Zeitverzögerungen der Antwort bemerkbar.
Und was weiß man über die Intelligenz? Intelligenz beinhaltet Kenntnis der Umwelt, Lernen und Kontext. Dass es mit der Intelligenz von Computern nicht weit her ist, zeigt deren Schwierigkeit, Sätze in ihrer Bedeutung richtig zu erkennen. Insbesondere Witze werden vom Computer nicht verstanden, Wortspiele sind ihm fremd.

„Single Electron Transistor“
Prof. Marc A. Kastner schließlich ist Elektronikprofessor und sein Blick richtet sich auf neue Bauelemente, die künftig die Elektronik bestimmen und verändern werden. Er geht davon aus, dass das „Moore´sche Gesetz“ (die Zahl der Transistoren verdoppelt sich alle 18 Monate) irgendwann in den nächsten fünfzehn Jahren ausläuft. Man braucht dann neue Basiselemente mit einer viel größeren Funktionalität pro Fläche. Der Ein-Elektronen-Transistor (Single Electron Transistor) ist ein solches Element: Wir haben darüber schon mehrfach berichtet.
Andere Arbeiten am MIT umfassen Nanokristalle (Bilder 2a, 2b) aus CdSe. Solche Kristalle arbeiten bei verschiedenen Wellenlängen, je nachdem wie groß sie sind. Hier reifen künftige Bausteine für die Photonik heran. Die Herstellung solcher neuen Bauelemente bereitet heute noch große Probleme, weil die heutigen Lithografiemaßstäbe viel gröber sind als die Strukturen, die man mit ihnen realisieren will.
„Cellular Atoma“ aus Quantenpunkten sind die Fortführung dieses Themas auf dem Weg zu einem System. Schon vor fast 20 Jahren hatte Forrest Carter am Naval Research Laboratory in Washington eine Theorie solcher Strukturen vorgetragen. Man kann mit ihnen Logikschaltkreise aufbauen, die Gattern entsprechen, indem man eine entsprechende Anordnung der Grundbausteine wählt. Zweidimensionale Arrays von Nanokristallen wurden bereits realisiert. Und man hofft, damit einen neuen Anlauf auf ein Ziel zu nehmen, das schon vor 25 Jahren in den Köpfen der Wissenschaftler spukte: Den Assoziativen Speicher, der den Speicherplatz für ein bestimmtes abgelegtes Bit selbst finden kann, ganz ohne Programm und Speicherplatzaufruf.

Sensoren @ Web
Außer Konkurrenz sprach Prof. Alex Pentland, Media Lab Academic Head, zum Thema „Internet überall?“ Seine Kernthese: „Jede Ingenieur-Generation versagt, wenn sie die nächste Technologie-Generation verstehen soll“. Man sollte daher nicht länger den (alten) Begriff der „vierten Generation der Computer“ verwenden, sondern besser über „personal services“ reden, wenn von neuen Interfaces die Rede ist wie von Palmtop-PCs oder GPS-Telefonen. Doch das ist alles erst der Anfang. Die Visionen des MIT Media Lab lassen sich in drei Thesen zusammenfassen:
• Um „Intelligenz“ aufzunehmen, sind nicht Bandbreite oder Rechnerleistung bestimmend, sondern Sensoren,
• künftige Technik ist Personen-bezogen, nicht Geräte-bezogen,
• die „neue“ Technik steht immer zur Verfügung, die Hände bleiben frei, die Technik kann „angezogen“ werden, sie ist ein guter „human assistent“.
So werden also Sensoren im Schuh erkennen, wohin man gerade geht und diese Standortinformation mit dem GPS verkoppeln. Die Brille bekommt einen eingebauten Computer, mit welchem man Information aus dem Netz mit der wahrgenommenen Information abgleichen kann. Sensoren werden den größten Teil des künftigen „Web“ ausmachen. Im Oberhemd werden Sensoren eingebaut, die Bewegungen aufnehmen können. Neue Biosensoren, Ladungssensoren, pH-Sensoren werden die medizinische Basisversorgung verändern, weil vieles von zu Hause gemessen und veranlasst werden kann.
Mikrophon und Kamera unterstützen das audiovisuelle Fühlen – zum Beispiel im Auto. Die Entfernungen spielen keine Rolle mehr, selbst neueste Technik wird nicht mehr teuer sein, Jobs und Kultur nicht mehr ein Vorrecht der großen Städte.

Wer es genauer wissen will, findet dazu Informationen im Internet auf der Web-Seite von Alex „Sandy“ Pentland: http://www.media.mit.edu/~pentland – oder das MIT unter http://web.mit.edu
Autor: Dipl.-Ing. Klaus H. Knapp