Neurobionik - Bionik Wirtschaftsforum
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1 Neurobionik das Zusammenspiel von Körper und neuronaler Informationsverarbeitung Rolf Pfeifer Harald Luksch Universität Zürich TU München Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4 – 5 Mai 2010 Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 2 2 Übersicht • Neurobionik – was ist das? • Neurobionik im Überblick – Neuroprothetik – Biohybridtechnik – Algorithmen aus der Natur – Ansätze für die Robotik Im englischen Sprachraum: bionics: „describing a manufactured device or engineered tissue that substitutes for, or augments, the function of a natural limb, organ or other portion of a biological body“. International daher besser: Neurobiomimetics oder bioinspired technology Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 3 3 Warum kann (Neuro-)Bionik interessante Lösungen liefern? Weil in der Evolution viele Ideen bereits getestet wurden! Wallace Darwin Erfolg und Fortpflanzung Variation Konkurrenz Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 4 4 Problem: Derartige „ungerichtete“ Forschung kann von den meisten Unternehmen nicht geleistet werden. Aber: Die Volkswirtschaften weltweit finanzieren bereits ungerichtete Grundlagenforschung! Dort kann vielleicht die Lösung für ein bestimmtes Problem schon längst gefunden sein… Beim „matching“ zwischen Problem und Lösung können Organisationen weiterhelfen! Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 5 Neurobionik Neuroprothetik Biohybridtechnik Funktion von Gehirnen (Neurobionik i.e.S.) Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 6 Neuroprothetik: Innenohr-Implantate Bei etwa drei Millionen Menschen in Deutschland können konventionelle Hörgeräte keine Verbesserung erzielen, da Schädigungen an den Haarsinneszellen der Cochlea (Schnecke) im Innenohr vorliegen. Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 7 Neuroprothetik: Cochlea-Implantate Cochlea-Implantate bestehen aus einem Empfänger, der Schall in seine Tonhöhen (Frequenzen) zerlegt, und einem Elektrodenbündel, das den noch vorhandenen Nerven direkt stimuliert Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 8 Erkrankungen des Auges Im ophtalmologischen Bild können Veränderungen der Netzhaut erkannt werden. Läsionen der Fovea führen zu dramatischen Einschränkungen für die Patienten. Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, Normales Bild 4/5 Mai 2010 Makula-Degeneration Prof. Dr. Harald Luksch 9 Neuroprothetik: Netzhaut-Implantate Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 10 Neuroprothetik: Gehirn-Implantate Die direkte Einspeisung von Daten in das Großhirn ist möglich – verschiedene Systeme werden zur Zeit getestet. Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 11 Neuroprothetik: Auslesen von Signalen aus dem Gehirn ?? Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 12 www.nicolelislab.net/ Neuroprothetik: Auslesen aus dem Gehirn Die Übereinstimmung zwischen der realen Armbewegung und der Vorhersage der Bewegung aus dem Aktivitätsmuster des Cortex ist (nach Training des Systems) gut... ...so gut, dass der Affe aufhörte, den Arm zu bewegen! Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 13 Neurobionik Neuroprothetik Biohybridtechnik Funktion von Gehirnen (Neurobionik i.e.S.) Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 14 Funktionelle Kopplung biologischer und technischer Systeme Reize (Wirkstoffe, Liganden, etc) Biologisches System Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 15 Neurobionik Neuroprothetik Biohybridtechnik Funktion von Gehirnen (Neurobionik i.e.S.) Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 16 Die Grundidee der Neurobionik im engeren Sinne ist, dass Organismen und ihre Gehirne sich in einem äußerst harten Wettbewerb (der Evolution) durchsetzen mussten und daher optimiert sind. Die Analyse biologischer Informationsverarbeitung sollte daher optimierte Prinzipien zur Lösung auch technischer Probleme ergeben. Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 17 Neurobionik: Was können Organismen besser als technische Informationsverarbeitungssysteme? 1. Überleben – auch in schwierigen Situationen 2. Mit Beschränkungen auskommen Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 18 Beschränkungen: z.B. Echtzeit Organismen müssen online reagieren Notwendig: Nicht data-crunching durch große „Rechenleistung“, sondern intelligenter Umgang mit Daten! Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 19 Strategien zur Datenreduktion: Periphere Anpassungen Die Auflösung der Komplexaugen ist nur hoch in dem Bereich, der den Horizont abbildet Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 20 Was wir zu sehen glauben, ist eine Illusion... Hilfsmechanismen erkennen wichtige Ereignisse in der Peripherie (z.B. Bewegungen) und lösen Augenbewegungen aus Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 21 Strategien zur Datenreduktion: StandardInterpretationen und Hypothesenbildung Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 22 Strategien zur Datenreduktion: StandardInterpretationen und Hypothesenbildung Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 23 Strategien zur Datenreduktion: StandardInterpretationen und Hypothesenbildung Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch 24 Organismen wenden also „Tricks“ an, um gut und schnell reagieren zu können. Was hat die Technik davon? Für technische Anwendungen können daraus - Prinzipien für den sparsamen Umgang mit „Rechenleistung“ abgeleitet werden - Ideen für die Entscheidungsfindung in unsicheren oder dynamischen Umwelten gefunden werden - Ansätze für komplexe, „kognitive“ autonome Systeme entstehen! Bionik Wirtschaftsforum Osnabrück, 4/5 Mai 2010 Prof. Dr. Harald Luksch
