Universität Kassel und HZB gründen Joint Lab zur Nutzung künstlicher Intelligenz
Blick in die Experimentierhalle von BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin. An zirka 50 Strahlrohren führen Forschende Experimente durch. Diese Daten mithilfe von künstlicher Intelligenz effizienter auszuwerten, ist Ziel der Kooperation zwischen Universität Kassel und dem HZB. © HZB/M. Setzpfand
Die Universität Kassel und das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) richten ein gemeinsames Labor für die Nutzung künstlicher Intelligenz ein, um neue experimentelle Methoden weiterzuentwickeln und die Datenauswertung von Experimenten an BESSY II deutlich zu verbessern.
Jedes Jahr kommen fast 3000 Nutzergruppen aus der ganzen Welt an den Elektronenspeicherring BESSY II, um verschiedenste Materialien mit dem brillanten Röntgenlicht zu untersuchen. „Bei der Erforschung aktueller wissenschaftlicher Fragestellungen, beispielsweise an BESSY II, fallen derart viele Daten an, dass sie mit herkömmlichen Analyseprogrammen nur noch schwer ausgewertet werden können. Im Joint Lab werden dafür Methoden der künstlichen Intelligenz entwickelt und eingesetzt. Diese Methoden sollen es darüber hinaus ermöglichen, auch in anderen naturwissenschaftlich-technischen Bereichen völlig neue Versuchsszenarien zu denken, die in der Vergangenheit als nicht auswertbar erschienen“, sagt Prof. Dr. Arno Ehresmann. Er ist Vizepräsident an der Universität Kassel und dort unter anderem zuständig für den Bereich Forschungsförderung.
Das HZB und die Universität Kassel haben kürzlich einen Kooperationsvertrag zum Aufbau des Joint Lab „Artificial Intelligence Methods for Experiment Design (AIM-ED)“, geschlossen. Ein Joint Lab ist eine in der Helmholtz-Gemeinschaft etablierte, mittel- bis langfristig angelegte Kooperationsform mit Universitäten. „Wir freuen uns, dass wir die Expertisen der Universität Kassel und des Helmholtz-Zentrums Berlin in der künstlichen Intelligenz zusammenführen können, um gemeinsam an wegweisenden Fragestellungen zu arbeiten“, schildert Prof. Ehresmann.
So wird sich das Kasseler Institut für Informationstechnik-Gestaltung (ITeG) an dem Joint Lab beteiligen. „Auch mehrere besonders forschungsstarke Arbeitsgruppen der Physik werden sich mit der Anwendung von KI-Methoden zum Design, zur Auswertung oder Optimierung von Experimenten beschäftigen, unter anderem im Rahmen eines DFG-Sonderforschungsbereichs“, sagt Prof. Ehresmann. Ebenfalls beteiligt sein wird das Fachgebiet Intelligent Embedded Systems unter der Leitung von Prof. Dr. Bernhard Sick, der sich seit langem intensiv mit Fragen des maschinellen Lernens und der Künstlichen Intelligenz beschäftigt.
Durch das neugegründete Joint Lab gebe es viele Synergieeffekte, betont auch Dr. Gregor Hartmann, betreuender Forscher am Helmholtz-Zentrum Berlin. „Bei den Experimenten an BESSY II entstehen immense Datenmengen, wobei neben der Größe der Daten insbesondere die Komplexität und das Verständnis ihrer Entstehung entscheidend für eine gute Auswertung sind.“ Das HZB hat viel Expertise in der Strahlrohr-Entwicklung, während die Arbeitsgruppe von Prof. Ehresmann die Sicht als langjähriger BESSY II-Nutzer und Detektor-Know-how einbringt. Die breitgefächerten Methoden der künstlichen Intelligenz, die Prof. Bernhard Sicks Team abdecke, ermöglichen eine bestmögliche Auswertung der Daten. „Ich freue mich sehr auf die intensive und spannende Zusammenarbeit im Rahmen des JointLab“, sagt Hartmann.
- BESSY II: Phosphorketten – ein 1D-Material mit 1D elektronischen EigenschaftenErstmals ist es einem Team an BESSY II gelungen, experimentell eindimensionale elektronische Eigenschaften in einem Material nachzuweisen. Die Proben bestanden aus kurzen Ketten aus Phosphoratomen, die sich auf einem Silbersubstrat selbst organisiert in bestimmten Winkeln bilden. Durch eine raffinierte Auswertung gelang es, die Beiträge von unterschiedlich ausgerichteten Ketten voneinander zu trennen und zu zeigen, dass die elektronischen Eigenschaften tatsächlich einen eindimensionalen Charakter besitzen. Berechnungen zeigten darüber hinaus, dass ein spannender Phasenübergang zu erwarten ist. Während das Material aus einzelnen Ketten halbleitend ist, wäre eine sehr dichte Kettenstruktur metallisch.
- Ein innerer Kompass für Meereslebewesen im PaläozänVor Jahrmillionen produzierten einige Meeresorganismen mysteriöse Magnetpartikel von ungewöhnlicher Größe, die heute als Fossilien in Sedimenten zu finden sind. Nun ist es einem internationalen Team gelungen, die magnetischen Domänen auf einem dieser „Riesenmagnetfossilien” mit einer raffinierten Methode an der Diamond-Röntgenquelle zu kartieren. Ihre Analyse zeigt, dass diese Partikel es den Organismen ermöglicht haben könnten, winzige Schwankungen sowohl in der Richtung als auch in der Intensität des Erdmagnetfelds wahrzunehmen. Dadurch konnten sie sich verorten und über den Ozean navigieren. Die neue Methode eignet sich auch, um zu testen, ob bestimmte Eisenoxidpartikel in Marsproben tatsächlich biogenen Ursprungs sind.
- Was vibrierende Moleküle über die Zellbiologie verratenMit Infrarot-Vibrationsspektroskopie an BESSY II lassen sich hochaufgelöste Karten von Molekülen in lebenden Zellen und Zellorganellen in ihrer natürlichen wässrigen Umgebung erstellen, zeigt eine neue Studie von einem Team aus HZB und Humboldt-Universität zu Berlin. Die Nano-IR-Spektroskopie mit SNOM an der IRIS-Beamline eignet sich, um winzige biologische Proben zu untersuchen und Infrarotbilder der Molekülschwingungen mit Nanometer-Auflösung zu erzeugen. Es ist sogar möglich, 3D-Informationen, also Infrarot-Tomogramme, aufzuzeichnen. Um das Verfahren zu testen, hat das Team Fibroblasten auf einer hochtransparenten SiC-Membran gezüchtet und in vivo untersucht. Die Methode ermöglicht neue Einblicke in die Zellbiologie.