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Professur Chemische Physik
Chemische Physik

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Sehen, hören und fühlen in der Nanowelt

Nanomechanische Gewebe­eigen­schaften sollen mit men­schli­chen Sin­nen er­fahr­bar wer­den. Die For­schungs­idee ver­knüpft Physik und Kog­nitions­wis­sen­schaft und wird von der Volks­wagen­Stift­ung ge­för­dert

Mit einem Raster­kraft­mikroskop können die Form einer Ober­fläche und ihre lokalen mechanischen Eigen­schaften sehr detail­liert auf der Nano­meter­skala erfasst werden. Das Ver­ständ­nis dieser sehr um­fang­reichen, mehr­di­men­si­onalen Daten steckt jedoch in den Kinder­schuhen. Vor allem bio­logische Gewebe haben eine räum­lich sehr kom­plexe Struk­tur, und ihre me­chani­schen Eigen­schaften sind auf der Nano­meter­skala weit­gehend un­er­forscht. Gleiches gilt für einzelne Atome und Moleküle auf Ober­flächen und die zwi­schen ihnen wir­ken­den Kräfte. Bei solch kom­plex­en Daten stoßen Analyse­ver­fahren, die mit sta­tis­tischer Daten­re­duktion ar­beiten, bis­lang an ihre Gren­zen.

Prof. Dr. Robert Magerle (Profes­sur für Chemische Physik) und Prof. Dr. Alexandra Bendixen (Profes­sur für Struktur und Funktion kog­ni­tiver Systeme) von der Techni­schen Uni­versi­tät Chem­nitz möch­ten den Zu­gang zur Daten­analyse grund­legend ver­ändern, in­dem sie die ko­mplex­en Daten den men­schli­chen Sin­nen und damit den kog­ni­tiven Fähig­keiten des Men­schen zu­gäng­lich machen. Die mit dem Raster­kraft­mikroskop ge­mes­senen Kraft­felder sollen mit einer haptischen Schnitt­stelle in vom Menschen fühlbare Kräfte übersetzt werden. Gleich­zeitig sollen die Form der Ober­fläche und weitere Oberflächeneigenschafen visuell und akustisch dargestellt werden. So können die auf der Nano­meter­skala gemessenen Kräfte interaktiv und mit mehreren menschlichen Sinnen gleichzeitig erkundet werden. Diese Dar­stellungs­art der Daten erscheint besonders geeignet, mittels menschlicher Sensorik und Kognition bislang un­bekan­nte Strukturen in räum­lich komplexen Daten zu ent­decken. Im Projekt sollen ver­schiedene Arten der Kraft­dar­stellung er­probt und das Zusam­men­wirken der menschlichen Sinne bei der multi­sensorischen Erfassung nano­mechanischer Eigen­schaften biologischer Gewebe erforscht werden. Die Volkswagen­Stiftung fördert das Forschungs­projekt im Rahmen ihrer Förder­initiative "Experiment!" mit 120.000 Euro für 18 Monate.

Das Projekt im Detail

Warum sollte es hilf­reich sein, mit den menschlichen Sinnen nano­mechanische Eigen­schaften und Kräfte auf der Nano­meter­skala zu erkunden? Man weiß aus der Wahr­nehmungs- und Kognitions­psycho­logie, dass Menschen sehr gut darin sind, in komplexen Strukturen Muster zu erkennen und Ab­weichungen von diesen Mustern zu entdecken. Wenn es nun gelingt, diese Fähig­keit des Menschen für (bio)­physikali­sche Frage­stellungen – in diesem Projekt die Erkundung nano­mechanischer Gewebe­eigenschaften – zu nutzen, birgt das die Chance, voll­kommen neue physikalische Phänomene zu entdecken. Die kognitions­wissen­schaftliche Komponente des Projekts ergänzt also die moderne physikalische Mess­methodik Raster­kraft­mikroskopie um eine neuartige Analyse­strategie. Damit diese Kombination erfolgreich ist, sind verschiedene wissen­schaftliche und technische Herausforderungen zu meistern. Ziel ist eine Schnittstelle zu schaffen, die es dem Menschen er­möglicht, inter­aktiv und mit mehreren Sinnen gleichzeitig (visuell, auditiv und haptisch) die räumlich komplexen Daten nano­mechanischer Kraft­felder zu erkunden. Aus technischer Sicht muss die multi­sensorische Schnitt­stelle die Handbewegung des Nutzers flüssig und quasi in Echtzeit in eine haptische, visuelle und akustische Dar­stellung der Daten umsetzen. Eine Dar­stellung ohne merk­liche Ver­zögerung ist es­senziell, da Menschen sehr empfindlich auf Zeit­versatz zwischen den Sinnen und auf Ver­zögerungen in der Kopplung von Wahr­nehmung und Handlung reagieren. Von ebenso großer Bedeutung wie diese techni­schen Heraus­forderungen ist die inhaltliche Frage, auf welche Weise bestimmte nano­mechanische Eigen­schaften – etwa die Visko­elastizität einer Probe – für die menschlichen Sinne auf­bereitet und dar­gestellt werden sollten, um sie möglichst effizient erkunden zu können. Hier ist eine geschickte Verknüpfung kognitions­wissen­schaftlicher Er­kenntnis­se zur multi­sensorischen Display­gestaltung mit dem physi­kali­schen Wissen um nano­mechanische Eigen­schaften gefragt. In der Kombination beider Bereiche betritt das Forschungs­projekt Neuland und wird innerhalb der nächsten 18 Monate ausloten, welcher Erkenntnis­fortschritt in der Erkundung nano­mechanischer Eigen­schaften zu erzielen ist.

Forschungs­bereich Sensorik und Kognition

Eine Kern­frage des von der Volkswagen­Stiftung geförderten Projekts zielt auf ein Verständnis senso­ri­scher und kognitiver Prozesse des Menschen, um komplexe physikalische Mess­daten dem Menschen in ge­eigneter Weise zur Verfügung zu stellen. Das Projekt ist Teil des neuen Forschungs­schwer­punkts "Sensorik und Kognition" an der Fakultät für Natur­wissen­schaften der Techni­schen Universität Chemnitz, der Physik und Psychologie verknüpft. Zu diesem gehören das Zentrum für Sensorik und Kognition sowie die Studien­gänge "Sensorik und kognitive Psychologie" mit Abschluss Bachelor of Science bzw. Master of Science, welche Grundlagen der kognitiven Psychologie, Physik und an­grenzender Wissen­schaften vermitteln.

Förderinitiative "Experiment!"

Die Förderinitiative "Experiment!" der Volkswagen­Stiftung richtet sich an Forscher­innen und Forscher aus den Natur-, Ingenieur-, und Lebens­wissen­schaften, die eine radikal neue Forschungs­idee verfolgen möchten. Beim Auswahl­verfahren werden eben­falls neue Wege erprobt. Aus den 594 Projekt­anträgen der Antrags­runde 2017 wählte die Stiftung die 119 passendsten Anträge aus. Eine achtköpfige externe Jury aus dem Aus­land bewertete nur diese anonymisierten Ideen, sortierte qualitativ nicht überzeugende Anträge aus und wählte 17 Projekte zur Förderung aus. Zusätzlich gab es in diesem Jahr einen Los­entscheid aus allen qualitativ über­zeugenden Anträgen. Auf diese Weise erhalten auch Ideen eine Chance, die an­sonsten leicht über­sehen werden, so dass insgesamt 29 Projekte neu gefördert werden.

Kontakt

Weitere Infor­mationen zu diesem Forschungs­projekt er­teilen Prof. Dr. Robert Magerle, E-Mail robert.magerle@..., Telefon +49 371 531-38033 und Prof. Dr. Alexandra Bendixen, E-Mail alexandra.bendixen@..., Telefon +49 371 531-32814.

(Autoren: Prof. Dr. Robert Magerle und Prof. Dr. Alexandra Bendixen. Der Text ist eine er­weiter­te Fas­sung des am 16.11.2017 er­schienenen Artikels in Uni aktuell.)