Forschung an der Mensch-Maschine-Schnittstelle für besseres „Verstehen“

Es geht um das Durchwandern von virtuellen dreidimensionalen Labyrinthen. Dafür sind extrem große Rechenleistungen von Computern erforderlich. Doch die Aufgabe, die hier vorgestellt wird, ist eine andere, auf den ersten Blick viel einfachere: Es geht um die Interaktion zwischen Computer und Mensch beim Durchwandern solcher Strukturen. Dafür betreten Informatiker Neuland; denn die Kommunikation zwischen dem denkenden Menschen und der digitale Rechenprozesse verarbeitenden Maschine ist diffizil.

Link-Empfehlungen der Redaktion zu weiterführenden Informationen:

- Homepage Prof. Dr. Alexander Koller – Link
- Exzellenzcluster “Multimodal Computing and Interaction”- Link

Mehr zum Inhalt des Videos:

Will man die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine optimieren, ist es erforderlich, Computern beizubringen, dass Menschen Computer richtig verstehen. Und da zeigt die wissenschaftliche Arbeit von Alexander Koller am Exzellenzcluster an der Uni in Saarbrücken, dass es dabei auch um die komplexen Vorgänge beim Erkennen und Wahrnehmen von Menschen geht. Kurz gesagt: Nicht Menschen müssen lernen, Computer richtig zu verstehen, sondern Computer sollen menschliches Denken nachvollziehen können.

Maschinen, deren Denkprozesse sich dem menschlichen Gehirn nähern – auch kognitive Roboter genannt – würden Handbücher für elektronische Geräte künftig überflüssig machen. Die Maschine könnte den Menschen „verstehen“ und auf seine Fragen selbst direkt antworten. Solche Forschungen stehen heute im Zentrum der Informatik und stehen am Beginn eines Paradigmenwechsels in der Kommunikation zwischen Mensch und Computer. Bisher müssen sich die Nutzer strikt an die Vorgaben der Software anpassen. In Zukunft könnte dies umgekehrt sein. Damit eröffnen sich auch neue Wege für andere Forschungsgebiete wie die Psycholinguistik, die die Arbeit bei Experimenten erleichtern kann.

Mit einem weltweiten Onlinespiel verfolgen die Saarbrücker Wissenschaftler das Ziel, möglichst viele Daten zu unterschiedlichen Themen beim räumlichen Verhalten von Menschen zu sammeln: wie orientiert sich ein Mensch im dreidimensionalen Raum? Wie bewegt er sich darin? Und wie interpretiert er Anweisungen des Computers? Die Beantwortung dieser Fragen ist auch abhängig von Kulturkreisen und Bevölkerungsgruppen. Über eintausendeinhundert Spieler aus achtundvierzig Ländern nahmen an diesem Onlinespiel teil und haben wichtige Erkenntnisse erbracht.

Alexander Koller, der das Projekt bisher leitete, ist inzwischen Professor für theoretische Computerlinguistik an der Universität Potsdam geworden. In Saarbrücken wird sein Thema aber weiterhin vorangetrieben. Denn es gehört zu den wichtigsten Forschungsthemen der Robotik, die einmal zum Serviceroboter der Zukunft führen soll, der mit dem Menschen über Sprache kommunizieren kann.

© Universität des Saarlandes 2011

Infomercial der Infineon AG

Nicht nur Behörden und Versicherungen gehören zur Kundschaft für Sicherheitskomponenten in Chipkarten. Gestiegene Sicherheitsanforderungen bei unterschiedlichen Endkunden-Anwendungen spielen auch im Entertainment – beispielsweise beim Pay-TV oder im Spielebereich – oder bei Prepaid-Karten in der Telekommunikation eine zunehmend wichtige Rolle. Verschlüsselung der elektronischen Daten ist dabei eine zentrale Komponente.

Mit Integrity Guard hat Infineon in mehrjähriger Entwicklungsarbeit ein Produkt für Anwendungen vorgestellt, die besonders hohe Sicherheitsanforderungen für sensible Daten stellen: Beispiele sind Kreditkarten und Personalausweise. Konventionell verschlüsselte Daten werden beim Auslesen wieder entschlüsselt und sind dabei für Hackerangriffe ungeschützt – ein Sicherheitsrisiko, das Infineon nun schließt. Integrity Guard erlaubt es, Daten nun auch verschlüsselt zu verarbeiten. Der Hersteller bezeichnet sich selbst als „weltweit führender Chiphersteller für Kreditkarten, Zugangskarten und Trusted Computing-Lösungen“, das schließt zuerst einmal Sicherheitskomponenten für Reisepässe, Ausweise und kontaktlose Bezahlkarten ein.

© Infineon AG 2011

Reinraum-Produktion mit Antivibrationsplattform

Die Nanotechnik gehört zu jenen Forschungsfeldern, denen großes Wachstum prognostiziert wird. Das Institut für Mikrostrukturtechnik IMT am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) betreibt seit über zwei Jahrzehnten Grundlagenforschung im Bereich der Nanostrukturen. Im Zentrum stehen polymere Werkstoffe und Metalle. Neben der Analyse von Materialien rückt seit zehn Jahren auch die Produktion von Nanostrukturen immer mehr in den Mittelpunkt. Sie gewinnt beispielsweise für die Medizintechnik immer mehr an Bedeutung.

Seit 2007 kommt im IMT für die Herstellung von Nanostrukturen ein Elektronenstrahlschreiber zum Einsatz. Das Gerät arbeitet mit extrem feinen Strahldurchmessern bis zu vier Nanometern, die die Produktion in diesen kleinsten bisher möglichen Größenordnungen mit extremer Präzision erlaubt. Um jedoch einen einwandfreien Betrieb der hochempfindlichen Maschine zu gewährleisten, sind außerordentliche Vorkehrungen erforderlich. Jedes winzige Staubkorn, selbst schwache Funkwellen oder auch minimale Vibrationen müssen vollständig ausgeschlossen werden, nur so lässt sich die erforderliche Genauigkeit im Nano-Herstellungsprozess sicherstellen. Ein Reinraum für den Betrieb des Elektronenstrahlschreibers, wie er auch für die Produktion von Mikrostrukturen erforderlich ist, reicht nicht aus. Er muss zusätzlich elektromagnetisch abgeschirmt sein und auf einer Antivibrationsplattform eingerichtet werden, die es erlaubt, erschütterungsfrei zu produzieren.

Der genaue Bauplan wird zuvor mit einem CAD-Computerprogramm entwickelt. Diesen überträgt der Elektronenstrahl, der mit 100.000 Volt Spannung beschleunigt wird, auf eine superdünne Kunststoffschicht, die zuvor auf eine Siliziumscheibe aufgetragen wurde.

Der Bericht des KIT gibt Einblicke in die Produktion von Nanostrukturen mit diesen Elektronenstrahlschreibern.

© Karlsruher Institut für Technologie (KIT) 2011

Veranstaltung zwischen Computertechnologie und Medienkultur

Bei der „Next Level Conference“ des NRW Kultursekretariats handelt es sich um ein viel besuchtes Kunst- und Kulturfestival rund um das Thema Games. Auch dieses Jahr wird die Veranstaltung wieder in Köln stattfinden – und zwar am 4. und 5. November 2011. Auf dem Programm stehen Kunstprojekte und Diskussionen zu Kreativwirtschaft und Kultureller Bildung, eine lebendige Mischung wissenschaftlicher Vorträge und großartiger Spiele zum Ausprobieren.

Dieses Jahr stehen die Aspekte Ästhetik und Sound im Zentrum der Konferenz. Auf welche Weise setzen Künstler Computerspiele als Material ein? Hat sich eine eigene Kunstgeschichte des Computerspiels entwickelt? Wie nutzt man Games als Tools, sich künstlerisch und kreativ auszudrücken? Workshops zu Minecraft, Machinima, 8Bit-Musik oder Gamedesign mit Stift und Papier liefern auch praktische Antworten. Nicht zuletzt sind Kunstprojekte und künstlerische Computerspiele auch dieses Jahr wieder wichtiger Bestandteil der „Next Level II“. In den Ausstellungsbereichen kann man Medienkunst erleben und Games ausprobieren, die sich in ihrer Gestaltung vom Mainstream abheben.

Die Next Level II wird veranstaltet vom NRW Kultursekretariat in Kooperation mit der SoundTrack_Cologne, dem Jugendministerium NRW, der Fachhochschule Köln sowie der Initiative Kultur- und Kreativwirtschaft der Bundesregierung. Die einzelnen Events verteilen sich auf die AbenteuerhallenKALK, das Gloria Theater, das Rautenstrauch-Joest-Museum und weitere Spielorte in Köln.

In unserer Reportage zeigen wir Impressionen der Veranstaltung des letzten Jahres im November 2010 sowie Statements von Dr. Christian Esch, Direktor des NRW Kultursekretariats, vom Mitbegründer der ars electronica, Prof. Dr. Herbert W. Franke, und von dem Medienexperten Dr. Danny Kringiel; sie sprechen dazu, welche Chancen bei einer engeren Zusammenarbeit zwischen Games-Industrie und Kulturschaffenden bestehen.

© mce mediacomeurope GmbH 2011

Datenverschlüsselung mit kryptographischen Verfahren

An der Uni des Saarlandes werden im Informatik-Exzellenzcluster komplexe kryptographische Verfahren entwickelt, die neue Wege für die Datenverschlüsselung im Internet eröffnen. Sicherheit im Internet – es ist eines der größten Probleme der Zukunft, denn schon heute ist absehbar, dass immer mehr Anwendungen ins Netz wandern, die hohe Anforderungen an die Datensicherheit stellen.

Schon die grundlegende Analyse dessen, was genau man unter Datensicherheit versteht, ist alles andere als trivial. Hinzu kommt die Aufgabe, dass Sicherheit im Internet nicht zu Lasten der Bedienbarkeit durch den Nutzer gehen darf. Auch ist zu berücksichtigen, dass die Datenverschlüsselung bezahlbar bleiben muss. Nur im Verbund dieser Anforderungen ist eine für den Markt brauchbare Lösung zu erwarten. Aufgrund der fehlenden Datensicherheit ist in Deutschland beispielsweise bis heute der Einsatz des Internets für Bundestagswahlen nicht zulässig. Gerade in Zeiten, in denen die Wahlbeteiligung sinkt, könnte die elektronische Wahl bei der jüngeren Zielgruppe für eine größere Akzeptanz sorgen.

Der Informatiker Dominique Unruh ist Spezialist für Kryptographie und arbeitet in der Grundlagenforschung für künftige Entwicklungen im Bereich der Verschlüsselungsverfahren. Bis vor kurzem hat er in Saarbrücken im Informatik-Exzellenzcluster gearbeitet. Inzwischen hat er einen Ruf an die Universität Tartu in Estland erhalten, wo er jetzt als Professor für Informationssicherheit tätig ist.

© Universität des Saarlandes 2011

Das KIT entwickelt einen Serviceroboter, der den Menschen imitiert

Wie können Roboter lernen? Diese Frage beschäftigt Ingenieure, Informatiker und Physiker am Institut für Anthropomatik des KIT seit 1999. Sie wollen den Service-Roboter der Zukunft entwickeln – mit komplexen wahrnehmenden und motorischen Fähigkeiten.

Die wissenschaftlichen Arbeiten haben verschiedene Schwerpunkte, darunter als zentrale Entwicklungsaufgabe das Lernen der Roboter durch Imitation. Hierfür stehen unterschiedliche Methoden zur Verfügung. Dabei will man die biologischen Mechanismen des Menschen in der Entwicklung humanoider Roboter mit berücksichtigen. Durch die mechatronische Umsetzung lernen die Wissenschaftler als „Abfallprodukt“ mehr über die kognitiven Prozesse der Informationsverarbeitung im menschlichen Gehirn.

ARMAR werden auch sogenannte Bewegungsprimitive beigebracht, wobei der Roboter den Bewegungsablauf anhand von charakteristischen Schlüsselpunkten selbständig erlernt. Zeigt ihm der menschliche Lehrer einen Vorgang mehrere Male, dann erkennt er durch den Vergleich der visuell beobachteten Daten Schlüsselpunkte für die Bewegung im Raum. Im Gedächtnis von ARMAR sind sämtliche Bewegungsprimitive als eine Art Bewegungsbibliothek abgelegt. Damit kann der humanoide Roboter komplexe Aufgaben in kleine Teilaufgaben herunterbrechen und dann anhand der Speicherdaten selbständig einen Plan zur Lösung der Aufgabe entwickeln.

Weitere Forschungsschwerpunkte mit ARMAR sind auch die Sensorik sowie die Motorik – vor allem das Greifen von Gegenständen mit der erforderlichen filigranen Kinematik einer mechatronischen Hand. Grundvoraussetzung für autonomes Handeln des Roboters ist die komplexe Koordination der motorischen Fähigkeiten einserseits mit der Sensorik und der daraus resultierenden visuellen Wahrnehmung der eigenen Umwelt. Nur mit dieser permanenten Interaktion können Handlungen korrekt ausgeführt werden.

Die am KIT geleistete Forschungsarbeit hat inzwischen schon zu mehreren Generationen von Robotern geführt. Das neueste Modell – ARMAR III. – besitzt nicht nur im deutschen Vergleich außergewöhnliche Fertigkeiten. Die Reportage zeigt, wie er lernt und was er schon kann.

© mce mediacomeurope GmbH 2011

Ringen um Standards für den Datenaustausch zwischen Fahrzeugen

Staus auf den Straßen – der triste Alltag vieler deutscher Autofahrer. Geht es nach den Verkehrsvisionären, wird die elektronische Intelligenz im Automobil die Staugefahr sowie Gefahrenpotenziale für den Fahrzeuglenker bald reduzieren. Noch weiter in die Zukunft reicht das Konzept der Vernetzung von Fahrzeugen untereinander, die den Verkehr damit aktiv steuern können.

Der Terminus technicus für solche Forschungsarbeiten: „Car-to-X-Kommunikation“.

Sensorik über Video, Laser und Lidar erlaubt Fahrzeugen schon heute, die Umwelt in begrenztem Umfang selbständig wahrzunehmen und sie mit der Elektronik im Fahrzeug zu verbinden. Solche Fahrerassistenzsysteme werden gerade von Herstellern deutscher Nobelkarossen seit Jahren vorangetrieben. Über Funk vernetzt, würde ein gigantischer Verkehrsorganismus entstehen.

Was schon heute theoretisch machbar wäre, scheitert aber an den realen Fakten. Denn die Hersteller sind mit ihren zahlreichen Forschungsanstrengungen im Automotive-Bereich ausschließlich mit selbst entwickelten Plattformen unterwegs. Gemeinsame Standards für den herstellerunabhängigen Austausch von Daten aus diesen Plattformen heraus gibt es derzeit nicht. Prof. Dr. Raymond Freymann, Geschäftsführer der BMW Group Forschung und Technik, gibt in Statements auch Einblicke in die BMW-Forschungsphilosophie.

Im Gemeinschaftsprojekt simTD sucht ein von der deutschen Automobilindustrie geprägtes Konsortium nach gemeinsamen Lösungen und Standards. Auch Zulieferer sowie Kommunikationsunternehmen und Forschungsinstitute sind daran beteiligt, der Bund fördert mit großen Beträgen. simTD steht für Sichere Intelligente Mobilität Testfeld Deutschland. In einem groß angelegten Feldversuch soll nicht nur die elektronische Ausrüstung in den Fahrzeugen erprobt werden, sondern auch die Kommunikations-Schnittstelle zwischen den Fahrzeugen über Funk. Basis hierfür sind WLAN- und Mobilfunk-Netze. Anfang 2013 sollen die vom Bund geförderten Forschungsergebnisse des vierjährigen Projekts präsentiert werden. Ein erster Zwischenbericht von simTD ist für Oktober 2011 avisiert.

Alle Beteiligten hoffen auf den großen deutschen Wurf. Die hier ansässige Automobilindustrie möchte mit dem Test ihre zweifellos vorhandene Pionierrolle im Bereich Automotive für den künftigen Markt stärken und zudem Fakten für herstellerunabhängige Standards schaffen. Ob sie stark genug ist, amerikanische und asiatische Hersteller auf den vorwiegend deutsch getriebenen Standardisierungskurs zu bringen?

© mce mediacomeurope GmbH 2011

Informatikerin Dr. Verena Wolf will mittels Stochastik biologisches Verhalten entschlüsseln

Die Stochastik beschäftigt sich mit der Beschreibung und Untersuchung von Phänomenen in der Natur, die durch den Zufall gesteuert sind. Dazu gehört das Würfeln, aber auch die Steuerung des Verhaltens von Lebewesen. Genau daran arbeitet die Informatikerin Dr. Verena Wolf an der Uni des Saarlandes. Fernziel ist die Computersimulation biologischer Prozesse.

Weltweit suchen Biochemiker nach neuen Medikamenten und Wirkstoffen gegen Viren, Bakterien und andere Krankheitserreger. Die Bekämpfung von Epidemien, die sich durch den modernen Luftverkehr innerhalb kürzester Zeit über die ganze Welt verbreiten können, fordert die Wissenschaftler verstärkt, Wirkstoffe in immer kürzerer Zeit bereit zu stellen.

Die Informatik soll in dieser biologischen Forschung künftig verstärkt helfen. Dies ist die Vision von Verena Wolf vom Informatik-Exzellenzcluster in Saarbrücken. Die Nachwuchswissenschaftlerin beschäftigt sich mit der Simulation biochemischer Reaktionen. Früher galt das einfache Prinzip „Ursache und Wirkung“ – „Aktion und Reaktion“. Aber die Biologie weiß heute, dass sich weder komplexe Viren noch die einzelligen Bakterien so eindeutig verhalten. Daher setzt man auf stochastische Modelle, die mit dem mathematisch beschreibbaren Prinzip der Wahrscheinlichkeit operieren. Im Augenblick arbeitet die Informatikerin daran, das Verhalten einee menschlichen Zelle mit Hilfe eines solchen stochastischen Programms zu simulieren.

Künftig können solche Simulationen einen wichtigen Beitrag in der Forschung leisten, da sie Vorteile gegenüber dem realen biologischen Experiment haben. Sie brauchen keine aufwändige Versuchsanordnung, sparen der Forschung damit zuerst einmal Geld und Zeit. Neben diesem quantitativen Effekt eröffnet sich mit Computersimulationen aber auch die Möglichkeit zu neuartigen biologischen Experimenten, die in der Realität aus unterschiedlichen Gründen nicht durchführbar sind. Für die biologische Grundlagenforschung bieten sie daher einen unschätzbaren Wert.

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Software erlaubt dreidimensionale Manipulationen in Echtzeit

Der Trend zur Visualisierung hilft der Wissenschaft, neue Erkenntnisse zu gewinnen – die Simulation von Prozessen erlaubt der Industrie, schneller zu entwickeln – die rasche 3D-Analyse von Daten aus dem Körperinneren kann Leben retten … so vielfältig ist das Spektrum des Einsatzes von Software für die dreidimensionale Bildverarbeitung. Bisher war diese Aufgabe großen und teuren Rechnersystemen vorbehalten – das ändert sich jetzt.

Wie bekommt man extrem große Datenmengen so auf einen kleinen Computer, dass sie sich dort trotz der limitierten Speicher- und Rechenkapazität in Echtzeit bearbeiten lassen? Das ist eine Software-Aufgabe, der sich Prof. Dr. Jens Krüger vom Exzellenzcluster Informatik an der Universität des Saarlandes in Saarbrücken stellt. Seine Entwicklung erlaubt es, selbst komplexe Bildmanipulationen großer Datenmengen auf Minirechnern zu realisieren. Sogar die Bildverarbeitung dreidimensionaler, hoch aufgelöster Computertomographien aus dem Körperinneren lässt sich mit der Entwicklung von Jens Krüger ohne Hochleistungscomputer umsetzen. Herkömmliche PCs, wie sie in jeder Arztpraxis stehen, reichen nun dafür aus.

Aber nicht nur im Bereich Medizin kann das Wissen von Jens Krüger helfen, große Datenmengen visuell zu erfassen. In seiner Forschungsgruppe im Exzellenzcluster „Multimodal Computing and Interaction“ werden Anwendungsfälle aus ganz anderen Bereichen analysiert – beispielsweise für den Einsatz in der Industrie. Dort lässt sich die Software dafür einsetzen, komplexe Strukturen ohne langwierige und teure Rechnerzeit sichtbar zu machen. Mit Hilfe von schnell umsetzbaren Simulationen können Ingenieure Probleme und Fehler so schon vor der Entwicklung von Prototypen entdecken. Das spart Geld, aber auch Entwicklungszeit in der Produktion.

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Computerlinguistik macht Robotern die Alltagssprache verständlich

Die Computerlinguistik gehört zu den Trendbereichen der Informatik. Sie untersucht die Kommunikationsschnittstelle von Mensch und Maschine. Sie gilt als ein wichtiger Schlüssel für den künftigen Einsatz von Robotern im Alltag, dient aber auch mit dem Teilgebiet der semantischen Suchalgorithmen zur Verbesserung der Findbarkeit von Daten im Internet.

Heute benötigen Computer genaue Befehle, menschliche Alltagssprache verstehen sie nicht. Ursache dafür ist, dass die menschliche Sprache mit ihrer Syntax anders als die Sprache der Mathematik nicht hoch formalisiert und eineindeutig ist. Der Computer kann den Sinn und die Bedeutung hinter der menschlichen Sprache nicht komplett erkennen. Die Alltagssprache mit einem formalen Überbau zu versehen, so dass sie auch Computer richtig interpretieren können, damit beschäftigt sich die Computerlingustik. Mit ihr lässt sich die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine künftig erleichtern. Damit werden sich Computer noch tiefer in das gesellschaftliche Leben integrieren.

Der Film stellt die Nachwuchswissenschaftlerin Caroline Sporleder vor, die sich als Computerlinguistin im Exzellenzcluster für Informatik an der Universität des Saarlandes mit dem Thema Sprache und Computer befasst. Die Reportage stellt sie vor und zeigt auch, wie solche Forschungen schon heute als automatisiertes Leseprogramm in Erprobung sind.

© Universität des Saarlandes 2011