Dirt Eater

Dezember 2004

Noch mehr Zuwachs in der Roboterfamilie

November 2004

Wie Blinde sicher über die Straße kommen

Oktober 2004

E-Mail per Gedanke

August 2004

Superhartes Glas aus Aluminiumoxid

Juli 2004

Tarnkappentapete schützt drahtlose Netzwerke vor Schnüfflern....
Leben ohne Puls
Roboter mit Samthandschuhen

Juni 2004

Mit Hot-Spots wissen, wo man gerade steht
Echte Biobatterie für Herzschrittmacher
Die neuen Cowboys: Satellit und Laptop

April 2004

Weltweit erste quantenkryptografisch verschlüsselte Banküberweisung
Elektronisches Papier wird marktreif

März 2004

Kleiner Computer soll Blinden die Augen ersetzen

Februar 2004

Herzliche Bionik

Januar 2004

Die lähmende Lücke überbrücken

Noch mehr Zuwachs in der Roboterfamilie

11.12.2004

Neben Wurm-Endoskopen, Hunderobotern und wurstförmigen Rohrreinigern soll es jetzt auch bienengroße autonome Flugmaschinen geben

Sich selbst mit Energie versorgende winzige Flugroboter könnten künftig bei einer Vielzahl alltäglicher Aufgaben helfen – von der Verkehrsüberwachung über Rettungsarbeiten bis hin zu Aufklärungsmissionen. Die mit Kameras und Sensoren ausgestatteten Maschinen der Zukunft decken ihren Energiebedarf selbständig, indem sie sich von organischen Substanzen wie toten Fliegen oder Obst "ernähren". Britische Forscher arbeiten derzeit an Techniken, die genau das ermöglichen sollen, berichtet die Universität von Westengland in Bristol.

Die Flugmaschinen könnten sogar auf die Größe einer Biene verkleinert werden, hoffen die Techniker. Ein großes Hindernis bei der Entwicklung autonomer Roboter ist bislang die Energieversorgung. Zur Lösung dieses Problems haben Chris Melhuish und seine Kollegen von der Universität von Westengland mit Ecobot II einen Roboter entwickelt, der sich über eine so genannte mikrobielle Brennstoffzelle selbst mit Treibstoff und Energie versorgt. Mikroben in dieser Brennstoffzelle setzen die in organischem Material enthaltene Energie in Elektrizität um, die für die ein Kilogramm schwere Maschine verwertbar ist.

Parallel arbeiten Forscher von der Universität Bath daran, Flugroboter immer kleiner zu gestalten. Sie untersuchen die komplexen Windverhältnisse, denen die winzigen Flieger ausgesetzt sind. Je kleiner ein Flugroboter ist, desto langsamer und verletzlicher wird er. Daher können sehr kleine Flugmaschinen nur langsam fliegen und auch keine komplexen Manöver durchführen. Diese Schwierigkeiten wollen Ismet Gursu und sein Team überwinden, indem sie sich die Natur zum Vorbild nehmen und Miniflieger ähnlich wie Insekten oder Vögel mit den Flügeln schlagen lassen.

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Wie Blinde sicher über die Straße kommen

19.11.2004

Elektronisches Auge kann Zebrastreifen identifizieren und Ampelphasen erkennen

Eine Art elektronisches Auge soll Blinden helfen, sicher die Straße zu überqueren. Japanische Wissenschaftler haben das sehende Navigationssystem entwickelt, das aus einer kleinen Kamera und einem Computer besteht. Die Software lokalisiert dabei anhand der Bilder aus der Kamera Fußgängerüberwege und erkennt Ampelsignale. Gekoppelt mit einer Sprachausgabe kann das System blinde Menschen über die Straße lotsen. Im Fachmagazin Measurement Science and Technology (Ausg. vom 19. November) stellen Tadayoshi Shioyama und Mohammad Uddin vom Institut für Technologie in Kyoto ihre Entwicklung vor.

Die Kamera wird in Augenhöhe beispielsweise an ein Brillengestell montiert. Um Fußgängerüberwege identifizieren und ihre Breite abschätzen zu können, nutzt das System Eigenschaften, die sich auch dann nicht ändern, wenn ein dreidimensionales Objekt zweidimensional projiziert wird. So schießt die Kamera beispielsweise ein Bild der weißen Farbmarkierungen auf der Straße, und die Software berechnet aus deren geometrischen Formen die realen Distanzen. Das funktioniert relativ gut, ergaben Experimente der Forscher: Der Fehler beträgt maximal fünf Prozent der Gesamtbreite des Überwegs und damit weniger als eine Schrittlänge.

Die Methode hat den Vorteil, dass Nutzer die Kamera nicht erst eichen müssen, ehe sie Entfernungen messen kann, kommentieren die Forscher. Problematisch war es jedoch, dem System beizubringen, was in einem Kamerabild ein Fußgängerüberweg ist. Derzeit erkennt das elektronische Auge nur Überwege, die mit einem Zebrastreifen markiert sind. Dabei bestimmt es anhand von Größe und Abstand der weißen Markierungen die Position des Überwegs. Bei einem Test mit 196 Bildern erkannte das System immerhin in 194 Fällen, wo sich der Fußgängerüberweg befand. Bei den einzigen beiden Fehlern übersah es den im Bild dargestellten Zebrastreifen.

Bis es das elektronische Auge zu kaufen gibt, wird es noch ein bis zwei Jahre dauern, schätzen die Entwickler. Dann könne es jedoch das Angebot an Hilfsmitteln für Blinde sinnvoll ergänzen. So gibt es bereits Blindenstöcke, die mithilfe von Lasersignalen oder Ultraschall Hindernisse in der Umgebung aufspüren.

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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E-Mail per Gedanke

15.10.2004

Implantierter Chip ermöglicht Querschnittsgelähmten, Computer zu steuern

Ein winziges Hirnimplantat ermöglicht es einem ab dem Hals querschnittsgelähmten Mann, allein Kraft seiner Gedanken E-Mails zu versenden oder Computerspiele zu spielen. Der von der amerikanischen Firma Cyberkinetics in Foxborough entwickelte winzige Chip kann die Informationen von bis zu hundert Nervenzellen abgreifen. Damit ist BrainGate das bislang am höchsten entwickelte Implantat dieser Art, berichtet der Online-Dienst des Wissenschaftsblatts Nature.

Im Juni 2004 pflanzten Chirurgen den Chip in den motorischen Kortex des 24-jährigen ein. In dieser Hirnregion werden Bewegungen kontrolliert. Jede der hundert Elektroden auf dem Chip zapft eine Nervenzelle im Gehirn des Patienten an. Dadurch erlaubt es BrainGate dem Mann, zum Beispiel den Fernseher oder den Computer mittels eines Gedanken zu bedienen, selbst wenn er gleichzeitig etwas anderes tut, wie zum Beispiel sich zu unterhalten oder seinen Kopf zu drehen. Die Cyberkinetics-Forscher planen zurzeit, das Implantat vier weiteren Patienten einzupflanzen.

Viele Gelähmte können Computer mit ihren Augen oder ihrer Zunge steuern. Diese Methoden sind jedoch recht eingeschränkt und erfordern ein langes Training. Daher suchen Wissenschaftler bereits seit Jahren nach einer Möglichkeit, direkt die Gedanken eines Patienten abgreifen und umsetzen zu können. Andere Forschungsgruppen haben zum Beispiel Geräte entworfen, die die Hirnaktivität auch ohne den direkten Kontakt zu den Nervenzellen ablesen können. Der direkte Zugang zu den Neuronen biete jedoch weit mehr Möglichkeiten, erklären die Forscher von Cyberkinetics. Diese Methode erlaube, zahlreiche und vor allem spezifischere Signale zu erhalten und zu übersetzen.

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Superhartes Glas aus Aluminiumoxid

13.08.2004

Seit Jahrhunderten verleihen metallische Zusätze Gläsern schillernde Farben oder höhere Stabilität. Amerikanische Materialforscher haben nun eine neue Methode entwickelt, um die Merkmale von Glas mit den widerstandsfähigen Eigenschaften von Aluminiumoxid zu vereinen. Dieses kristalline Material wird von Werkstoffwissenschaftlern sehr geschätzt, da es als ausgesprochen feuerfest, mechanisch stabil und unempfindlich gegen zahlreiche Chemikalien gilt. Ihr neues Herstellungsverfahren extrem fester Aluminiumoxid-Gläser beschreiben die Forscher in der Fachzeitschrift Nature (Vol. 430, S. 761).

"Bisher konnten Aluminiumoxid-Gläser nur mit beschränkter Größe von wenigen Milimetern bei sehr schnellen Abkühlungsvorgängen hergestellt werden", beschreiben Anatoly Rosenflanz und seine Kollegen von dem Unternehmen 3M in Minnesota ihre Herausforderung. Mit ihrem ausgeklügelten Sinterprozess konnten die Forscher solche Gläser erstmals mit Durchmessern von über einem Zentimeter produzieren. Dazu durchmischten sie ein Aluminiumoxid-Pulver mit weiteren Metalloxiden wie Lanthan-, Gadolinium- und Yttriumoxid. In der heißen Flamme eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemischs schmolzen sie dieses Pulver und ließen es schockartig in Wasser zu rund 100 Millionstel Meter kleinen, glasartigen Kügelchen erstarren. Über einen Sinterprozess bei rund 1000 Grad Celsius erhielten die Forscher so transparente Glasrohlinge, in denen sich die nanokristallinen Metalloxide einlagerten.

Dieses Material unterzogen Rosenflanz und Kollegen zahlreichen Analysen. Die Bruchfestigkeit erreicht dabei fast die Werte von purem Aluminiumoxid und stellt damit alle bekannten Gläser auf Siliziumoxid-Basis weit in den Schatten. Mehr als 95 Prozent der Gläser bleiben - wie gewünscht - sogar durchsichtig. Über die Größe der eingelagerten Nanokristalle der Metalloxide konnten die Wissenschaftler sogar den Brechungsindex für Licht kontrollieren.

Die möglichen Anwendungen solcher hochfesten Gläser reichen weit von bruchfesten Sichtfenstern in Chemieanlagen über optimierte Glasfaserkabel bis zu transparenten Bauteilen in Satelliten und Raumtransportern. Ausgehend von ihrem Erfolg mit Aluminiumoxid hoffen die Werkstoffforscher, auch aus anderen Metalloxiden transparente Gläser mit herausragenden Eigenschaften herstellen zu können.

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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Tarnkappentapete schützt drahtlose Netzwerke vor Schnüfflern....

06.08.2004

....lässt aber die Frequenzen von Handys durch

Eine Tarnkappentapete soll drahtlose Netzwerke in Gebäuden abhörsicher machen, ohne dabei den Handyempfang zu stören. Die Technik dieser High-Tech-Tapete des britischen Unternehmens BAE Systems stammt aus der militärischen Entwicklung. Das berichtet die Fachzeitschrift New Scientist in der Ausgabe vom 7. August.

Die Entwickler von BAE Systems fertigen die Sicherheitstapete aus einer nur einen Zehntel Millimeter dicken Lage aus Kapton, einem flexiblen Kunststoff, auf den auch die Schaltkreise von Camcordern gedruckt werden. Das Material wird beidseitig mit um 45 Grad gegeneinander gedrehten Kreuzmustern aus Kupfer beschichtet. Diese Kupferkreuze blockieren die Funksignale drahtloser Netzwerke, lassen jedoch die üblichen Mobilfunk- und Notruffrequenzen durch. Wird über eingebaute Dioden ein Strom zwischen den Schaltkreisen geschaltet, werden auch Handysignale blockiert. So lässt sich das Schutzschild an- und ausschalten.

Die genaue Funktionsweise der Tapete wollen die Entwickler jedoch nicht bekanntgeben. Die Tapete arbeite nach einem der Beugung von Lichtstrahlen vergleichbaren Prinzip, bei der durch Überlagerung bestimmter Wellenlängen manche Frequenzen ausgelöscht werden. Entwickelt wurde das Material ursprünglich zur Abschirmung militärischer Radargeräte. Damit wird verhindert, dass deren Reflektoren ein feindliches Radarsignal zurückwerfen und so den Standort des Geräts preisgeben.

Die auch Wireless-LAN genannten drahtlosen Netzwerke ermöglichen es, bis zu 100 Meter um einen Sender Daten auszutauschen oder im Internet ohne Kabelverbindung zu surfen. Allerdings können die Funksignale des Netzwerks abgehört und dekodiert werden. Für viele Firmen ist dies ein großes Sicherheitsrisiko. Daher wurde bereits versucht, Gebäude mit Aluminiumfolien und abgeschirmten Fenstern zu sichern. Das kann jedoch ein totales Funkloch im ganzen Gebäude erzeugen.

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Leben ohne Puls

31.07.2004

Rund 2000 Patienten warten in Deutschland jährlich vergeblich auf ein passendes Spenderherz. Die Pumpleistung ihres eigenen Organs ist dabei häufig so gering, dass sie nur noch mit künstlichen Pumphilfen überleben können. Australische Forscher haben dazu ein neues Kunstherz entwickelt, das nach eigenen Angaben das Risiko einer Thrombenbildung herabsetzt. Zudem soll es keinen nennenswerten Verschleiß mehr aufweisen, berichtet das Magazin New Scientist (Vol. 2458, S. 19).

"Es gibt keine begrenzte Lebensdauer von VentrAssist, da es keine Verschleißteile enthält", erklärt John Woodard, Gründer der australischen Firma Ventracor in Chatswood. Die zentrale Einheit in dem nur sechs Zentimeter kleinen Pumpmodul bildet ein Flügelrad, das durch ein Magnetfeld kontaktlos gehalten und angetrieben wird. Dieses Antriebsfeld wird von sechs Kupferspulen aufgebaut, die in einem Titangehäuse eingelagert sind. Quasi huckepack auf das kranke Herz des Patienten aufgesetzt, pumpt das Kunstherz kontinuierlich ohne einen Herzschlagrhythmus Blut aus der linken Herzkammer in die Aorta, von wo es in den ganzen Körper gelangt.

Da durch die Größe des Flügelrads eine langsamere Drehbewegung ausreicht als bei vergleichbaren Kunstherzen, sollen nach Angaben von Ventracor keine roten Blutkörperchen mehr zerstört und keine Verklumpungen zu so genannten Thromben mehr auftreten. In erste Testpatienten wurde VentrAssist bereits verpflanzt und ein Herzkranker lebt bereits 13 Monate mit dieser künstlichen Pumphilfe. Mit Strom versorgt wird diese Pumpe über einen Batteriegurt, den die Patienten um den Oberkörper tragen.

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Roboter mit Samthandschuhen

03.07.2004

Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Universität von Tokyo hat einen Gummiüberzug für Roboterarme entwickelt, der mechanischen Druck in elektrische Signale umwandeln kann. Auf diese Weise sollen Roboter zukünftiger Generationen mit einem Tastsinn ausgestattet werden, der dem der menschlichen Haut in Empfindlichkeit nicht weit nachsteht. Darüber berichtet der Nachrichtendienst des Fachmagazins Nature.

Dass bestimmte gummiartige Polymere ein elektrisches Feld erzeugen, wenn sie zusammengedrückt oder ausgedehnt werden, ist schon seit längerem bekannt. Takao Someya und seine Kollegen haben ein derartiges Polymer nun mit einer Schicht winzig kleiner Transistoren ausgestattet und auf diese Weise einen sensiblen Tastsensor entwickelt. Das durch den Druck erzeugte elektrische Feld wird dabei von den Transistoren in ein elektrisches Signal umgewandelt, das den Ort der Druckausübung auf der Gummischicht angibt.

Damit derartige Schichten als Haut für Roboterarme eingesetzt werden können, müssen sie sich allerdings ohne Beschädigung der Transistoren verbiegen lassen – schließlich sollen sie sich wie ein Samthandschuh an die Roboterhand anschmiegen. Da dies mit herkömmlichen, spröden Transistoren aus Silizium nicht möglich ist, benutzten die japanischen Forscher stattdessen organische Transistoren aus Pentacene-Molekülen. Auf diese Weise ließ sich die Gummischicht um einen nur zwei Millimeter dünnen Stab wickeln, ohne dass die Funktion der Transistoren beeinträchtigt wurde.

In einem nächsten Schritt wollen die Forscher nun darangehen, ihre Roboterhaut auch mit Sensoren für Temperaturschwankungen sowie für Veränderungen der Luftfeuchtigkeit der Umgebung zu versehen.

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Mit Hot-Spots wissen, wo man gerade steht

25.06.2004

In engen Straßenschluchten von Großstädten können Navigationsgeräte schon mal versagen. Denn je nach Bebauung kann das GPS-Ortungssignal des Satelliten nicht das Empfangsmodul im Auto erreichen. Doch die Hot-Spots, die gerade in diesen Großstadtlagen wie Pilze aus dem Boden schießen und einen schnurlosen Breitbandzugang zum Internet ermöglichen, könnten Abhilfe schaffen: Amerikanische Wissenschaftler haben mit "Place Lab" ein System entwickelt, das diese Ortungslücken mit Wireless-LAN-Technik stopfen soll, berichtet das Magazin New Scientist (Vol.2453, S. 21).

"Das ist ein GPS für arme Leute", sagt Bill Schilit vom Intel-Forschungszentrum in Santa Clara. Zusammen mit Wissenschaftlern der University of Washington in Seattle wollen sie gerade diese günstige Wireless-LAN-Technik (WLAN) zu einem zuverlässigen Ortungssystem in Städten nutzen.

Dazu verknüpft die "Place Lab"-Software je nach Empfangslage die echten GPS-Daten mit den Funksignalen von nahe gelegenen Hot Spots. Fällt das GPS-Signal aus, schaltet sich das System auf WLAN-Ortung um. Befindet sich nun der orientierungslose Reisende im Empfangsbereich von mindestens drei solcher Sendestellen, kann über eine Triangulation der Funksignale auf den Aufenthaltsort zurückgeschlossen werden. Maßstab für die Entfernung von den jeweiligen Hot-Spots ist dabei die Intensität der von einem WLAN-Modul aufgefangenen Radiowellen.

In ersten Testläufen in Berkeley, San Diego, Seattle, Manhattan und dem britischen Cambridge erreichte die WLAN-Ortung eine Genauigkeit von rund 20 bis 30 Metern. Zivil genutze GPS-Signale geben dagegen den Ort auf bis zu acht Meter genau an. Doch die Forscher um Schilit hoffen, die Ortsbestimmung vor allem mit der stetig zunehmenden Zahl von Hot-Spots weiter verbessern zu können.

In naher Zukunft könnte in dieses System zur Positionsbestimmung auch ein elektronischer Stadtführer integriert werden. Fußgänger oder Autofahrer mit einem geeigneten Taschencomputer könnten auf Wunsch zum nächstgelegenen Hotel oder Restaurant geleitet werden.

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Echte Biobatterie für Herzschrittmacher

10.06.2004

Der Herzschrittmacher der Zukunft könnte seine Energie aus der Körperwärme beziehen. Ein zusätzliches Implantat aus Thermoelementen soll den nötigen elektrischen Strom liefern. Dadurch würden Patienten Folgeoperationen erspart, bei denen die Batterien der Geräte ausgetauscht werden müssen. Über die Entwicklung eines amerikanischen Biotechnologieunternehmens berichtet das britische Wissenschaftsmagazin New Scientist (Ausgabe vom 12. Juni, S. 23).

Ein großer Nachteil von Implantaten wie Herzschrittmachern ist, dass ihre Batterien etwa alle zehn Jahre ersetzt werden müssen. Die Firma Biophan Technologies will nun die Energie der Körperwärme für den Betrieb der Geräte nutzen. Dazu entwickeln die Ingenieure eine Anordnung aus zahlreichen winzigen thermoelektrischen Generatoren, die in einen implantierbaren Chip eingebaut werden. Dieser Chip könnte die Batterien ständig nachladen, so dass sie erst nach etwa dreißig Jahren ersetzt werden müssen. Die Thermoelemente nutzen den Effekt, dass zwischen zwei Elektroden aus verschiedenen Materialien eine elektrische Spannung entsteht, wenn zwischen ihnen ein Temperaturunterschied besteht.

Um einen Herzschrittmacher am Laufen zu halten, wäre eine Temperaturdifferenz von mindestens zwei Grad Celsius nötig. In vielen Teilen des Körpers gibt es sogar Unterschiede von fünf Grad – zum Beispiel in den ersten Millimetern unterhalb der Haut. Dort soll das Gerät auch idealerweise platziert werden. Für ausreichende Energie würden allerdings Tausende von Thermoelementen benötigt. Biophan arbeitet daher daran, die Minigeneratoren kleiner und effektiver zu machen. Die Biotechnologiefirma will eine lediglich 2,5 Zentimeter große Anordnung konstruieren, die eine Leistung von 100 Mikrowatt erzeugt.

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Die neuen Cowboys: Satellit und Laptop

09.06.2004

Ein mobiler virtueller Weidezaun könnte Landwirten künftig das Hüten ihrer Rinder erleichtern. Per Laptop könnte der Bauer über einen einzelnen Computer viele Viehherden von daheim aus kontrollieren, als ob er ein Videospiel spielen würde, schlägt ein amerikanischer Forscher vor. Zack Butler vom Dartmouth College in Hanover und seine Kollegen haben eine Software entwickelt, die genau das ermöglichen soll. Das berichtet der Online-Dienst des britischen Wissenschaftsmagazins "New Scientist".

Bei dem System trägt jedes Tier ein Halsband, das mit einer Funknetzkarte, einem Minicomputer, einem Lautsprecher und dem Satellitennavigationssystem GPS ausgestattet ist. Die gewählten GPS-Koordinaten des virtuellen Zaunes werden über in der Gegend positionierte Funkstationen an die Halsbänder der Tiere gesendet. Nähert sich eine Kuh der imaginären Grenze, löst das Programm einen Reiz aus, der das Tier erschreckt – etwa ein lautes Geräusch oder ein leichter Elektroschock. Die Position des Zaunes kann dabei beliebig verändert werden.

Die Entwickler haben den virtuellen Zaun bereits in einer nicht mobilen Version bei zehn Kühen auf einem ein Quadratkilometer großen Gelände erprobt. Die mobile Variante erprobten sie bisher nur mit einer Gruppe von Studenten. Die Technik funktioniert einwandfrei. Das Problem ist bislang, einen Reiz zu finden, der die Kühe auch tatsächlich erschreckt und am Übertreten des virtuellen Zauns hindert. Geräusche wie das Brüllen von Tigern, das Zischen einer Schlange oder Hundegebell bremsen die Tiere zwar, aber halten sie nicht immer vom Überschreiten der Grenze ab. Am besten geeignet sei wohl eine Kombination von Geräuschen und Elektroschocks, die mit zunehmender Nähe zum Zaun intensiver werden, so Butler.

Das System wäre vor allem für Farmer in Australien interessant, die ihr Vieh über riesige Ländereien bewegen müssen. Bislang treiben sie die Tiere von Pferden, Motorrädern oder Hubschraubern aus und mussten dabei Gatter öffnen und wieder schließen, was einen hohen Personalaufwand bedeutet.

Außerdem sind die elektronischen Halsbänder ausbaufähig: Sie könnten zusätzlich mit Sensoren ausgestattet werden, die den Gesundheitszustand der Tiere registrieren und diese Daten zurück zum Server schicken.

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Weltweit erste quantenkryptografisch verschlüsselte Banküberweisung

21.04.2004

Über ein Glasfaserkabel der Firma Wien Kanal Abwassertechnologie (WKA) tätigte am Mittwoch der Wiener Bürgermeister Michael Häupl die weltweit erste Banküberweisung, deren Sicherheit nicht allein durch mathematische Verschlüsselungsverfahren, sondern durch die physikalischen Gesetze der Quantenmechanik gewährleistet wurde. Die Übertragung vom Wiener Rathaus zur Bank Austria wurde von einem Physikerteam um den Wiener Physikprofessor Anton Zeilinger realisiert. Mit einem ähnlichen Verfahren war Zeilinger bereits 1997 die Teleportation von Lichtteilchen gelungen.

Die Grundlage beider Verfahren ist eine Eigenschaft der Quantenmechanik, die Albert Einstein 1935 "spukhafte Fernwirkung" genannt hatte. Dabei werden zwei physikalische Teilchen – im vorliegenden Fall Photonen, also Lichtteilchen – miteinander "verschränkt". Das bedeutet, dass beide Teilchen sich in einem gemeinsamen quantenmechanischen Zustand befinden. Dies hat insbesondere zur Konsequenz, dass eine Messung an einem der beiden Teilchen die Eigenschaften des anderen Teilchens beeinflusst – unabhängig davon, wie weit die beiden Teilchen voneinander entfernt sind. Salopp ausgedrückt: Die beiden Teilchen verhalten sich wie telepathisch miteinander verbundene Zwillinge.

Bei der Quantenkryptografie benutzt man miteinander verschränkte Photonen zur Erzeugung des Codierungsschlüssels, mit der die zu übertragende Nachricht beim Absender verschlüsselt und beim Empfänger wieder entschlüsselt wird. Die Wiener Physiker erzeugten die verschränkten Photonen in der Filiale Schottengasse der Bank Austria, indem sie einen Laserstrahl durch einen bestimmten Kristall schickten. Eines der beiden Photonen wurde über ein Glasfaserkabel zum Wiener Rathaus gesandt, das andere blieb in der Bank.

Anschließend wird an beiden Teilchen eine Messung durchgeführt. Dabei kommen die Gesetze der Quantenmechanik zum Tragen: Denn eine Messung an einem der beiden Teilchen beeinflusst simultan den Zustand des anderen Teilchens. Gemessen wird die Polarisation der Photonen. Die Polarisation kann nur die beiden Zustände "horizontal" und "vertikal" annehmen. Durch Gleichsetzen von "horizontal" mit der Ziffer "1" und von "vertikal" mit der Ziffer "0" erhalten beide Parteien eine Ziffer. Nachdem das Verfahren mit vielen verschränkten Photonenpaaren wiederholt wurde, besitzen beide Parteien eine identische Ziffernfolge, die nun als Codierungsschlüssel für die Banküberweisung dient.

Dieses Verfahren hat gegenüber den herkömmlichen mathematischen Verschlüsselungstechniken zwei Vorteile. Zum einen benötigt man keinen "vertrauenswürdigen Boten", der den Schlüssel zwischen den beiden Parteien transportiert, da der Schlüssel erst durch die Messungen der Photonenzustände bei den beiden Parteien erzeugt wird.

Zum anderen beeinflusst jeder Versuch eines "Spions", eines der Photonen abzufangen und seinen Zustand zu messen, den Zustand des anderen Photons. Selbst wenn der Spion anschließend versucht, ein identisches Photon an den rechtmäßigen Empfänger weiterzuschicken, wird sein Abhörversuch festgestellt. Das No-Cloning-Theorem der Quantenmechanik lässt ein Kopieren von quantenmechanischen Zuständen nicht zu. Im Fall eines Abhörversuchs wird man den abgehörten Schlüssel verwerfen und einen neuen erzeugen.

Das Team der Universität Wien um Anton Zeilinger arbeitet seit zwei Jahren mit der Arbeitsgruppe Quantentechnologien der ARC Seibersdorf research GmbH zusammen. Weiterer Partner ist die Stadt Wien mit ihrem Tochterunternehmen WKA. Das Ziel ist die Entwicklung eines marktreifen Prototypen für Quantenkryptografie. Auf die Frage, wann er denn mit der Marktreife rechne, antwortete Zeilinger: "Bis vor kurzem hätte ich gesagt: In fünf Jahren noch nicht. Doch so schnell, wie wir jetzt vorwärtsgekommen sind, würde ich sagen, es geht schneller. Aber nageln Sie mich bitte nicht fest."

Für eine unerwartete Überraschung während der Demonstration des Verfahrens sorgte die Bank Austria: Die erste quantenkryptografische Überweisung in Höhe von 3000 Euro ging an die Universität Wien – als Spende für Zeilingers Forschungsgruppe.

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Elektronisches Papier wird marktreif

01.04.2004

Lange mussten technikbegeisterte Kunden auf das erste Produkt mit einem Display aus elektronischem Papier warten. Nachdem in den letzten Jahren immer neue, scheinbar marktreife Prototypen vorgestellt wurden, macht Sony mit dem "LIBRIé" nun ernst. Ab dem 24. April können japanische Konsumenten das elektronische Buch, das etwas kleiner als ein DIN A5 Blatt und nur 13 Millimeter dick ist, kaufen. Der Verkaufpreis für "LIBRIé" soll bei etwa 375 Dollar liegen.

Auf dem rund 15 Zentimeter großen, kontrastreichen Schwarz-Weiß-Display können mit nur einem Satz Batterien (4 x AAA) 10.000 Buchseiten mit einer Auflösung von rund 160 Bildpunkten pro Zoll (dpi) angezeigt werden. Auf den internen Speicher von etwa 10 Megabyte lassen sich über eine USB-Schnittstelle bis zu 20 Bücher auf das 190 Gramm leichte Gerät laden. Eine zusätzliche Speicherkarte kann die Datenkapazität auf bis zu 500 Bücher erweitern. "Bis heute waren Konsumenten eher skeptisch gegenüber solchen Anwendungen, weil die Display-Qualitäten bescheiden waren", sagt Yoshitaka Ukita, Leiter des e-Book Business Department bei Sony. Zwar ist dieses erste Produkt noch nicht flexibel wie echtes Zeitungspapier, doch überzeugt es durch seinen geringen Stromverbrauch und stellt mit dieser Eigenschaft und dem hohen Konstrast die üblichen Flüssigkristall-Bildschirme mit einer stromschluckenden Hintergrundbeleuchtung weit in den Schatten.

In dem elektronischen Papier, eine Entwicklung der Firmen E-Ink und Philips, bewegen sich schwarze und weiße Mikropartikel in vielen, mit Flüssigkeit gefüllten Mikrokapseln je nach anlegter Steuerspannung zur Bildschirmoberfläche, um einen schwarzen Bildpunkt vor weißem Hintergrund darzustellen. Das Geheimnis des geringen Stromverbauchs: Nur zum Wechsel einer Buchseite ist ein kleiner Stromfluss nötig. Ohne Stromzufuhr bleibt die jeweils letzte aufgerufene Seite sichtbar - und das so kontrastreich wie bedrucktes Zeitungspapier, so dass die Schrift auch bei direkt einfallendem Sonnenlicht lesbar bleibt.

Mit ausgewählter Literatur, Manga-Comics und Wörterbüchern passt Sony sein "LIBRIé" zunächst einmal an den japanischen Markt an. Mit einigen Tasten für die Steuerung lässt sich leicht durch die gespeicherten Buchseiten oder die Wortlisten der Nachschlagewerke "blättern". Wichtiger Partner von E-Ink und Sony ist der niederländische Konzern Philips, der aber selbst noch keine Produkte mit elektronischem Papier vorgesehen hat. Doch Philips stellt in einer eigenen Fertigungslinie im japanischen Kobe mit dem Display das zentrale Modul für das elektronische Buch von Sony her.

Europa wird sich jedoch noch etwas gedulden müssen, bevor ein Produkt mit elektronischem Papier in den Läden liegen wird. "Für eine solche Anwendung kommt es auf die verfügbaren Inhalte an", so Philips-Pressesprecherin Ellen de Vries. "Daher sprechen wir zur Zeit mit Verlagshäusern, ob sie Interesse an Veröffentlichungen ihrer Werke auf solchen elektronischen Geräten haben. Interessant könnte das vor allem für Schulbücher sein, damit Kinder nicht mehr so schwere Schultaschen tragen müssen."

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Kleiner Computer soll Blinden die Augen ersetzen

20.03.2004

Ein tragbares Computersystem könnte Blinden und Sehbehinderten in Zukunft das Leben erleichtern. Mit "Tyflos" haben amerikanische Wissenschaftler den Prototypen eines Gerätes entwickelt, das bei täglichen Aufgaben wie Zeitung und Bücher lesen, im Internet surfen oder dem Erkennen von Gesichtern hilft. Das berichtet die Wright-Staats-Universität in Dayton.

Nikolaos Bourbakis von der Wright-Staats-Universität und sein Team haben eine winzige Kamera auf eine Brille montiert und mit einem mobilen Computersystem verbunden, das auf dem Rücken getragen wird. Das nach dem griechischen Wort für "blind" Tyflos genannte System wertet die Bilder der Kamera aus und setzt sie in akustische Informationen um. Der tragbare Computer rekonstruiert dabei einen dreidimensionalen Raum, in dem zum Beispiel das Erkennen und Verfolgen von Bewegungen und das Erkennen von Gesichtern möglich ist. Über ein Mikrofon kann der Träger des Geräts Befehle und Fragen an das System richten.

Allein die Gesichtererkennung könne die soziale Interaktion entscheidend verbessern, sagt Bourbakis. "Es ist ein tolles Gefühl für einen Sehbehinderten, in einer Konversation den ersten Schritt tun zu können und 'Hi John' zu sagen, anstatt darauf zu warten, angesprochen zu werden." Die Forscher wollen das System nun von sehbehinderten Studenten testen lassen. Zudem planen sie Erweiterungen von Tyflos, die es unter anderem ermöglichen sollen, zu schreiben und zu malen.

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Herzliche Bionik

26.02.2004

Amerikanische Wissenschaftler haben einen Roboter mit Herz entwickelt: Die winzige Siliziummaschine wird von lebenden Herzmuskelfasern bewegt. Durch deren Kontraktionen kriecht das bisher noch funktionslose Minibauteil, das nur etwa halb so dick ist wie ein menschliches Haar, mit der atemberaubenden Geschwindigkeit von 14 Zentimetern pro Stunde vorwärts. Als Treibstoff reicht dem "Muskel-Bot" eine einfache Zuckerlösung, berichtet das Wissenschaftsmagazin New Scientist (Ausgabe vom 28. Februar).

Der Prototyp besteht aus einem dünnen Siliziumbogen, an dessen Unterseite die Muskelfasern befestigt sind. Im gleichen Rhythmus, in dem sich die Fasern zusammenziehen und wieder entspannen, beugt und streckt sich das flexible Material – und die Maschine bewegt sich auf diese Weise vorwärts. Obwohl das Konzept solcher muskelgetriebener Roboter schon älter ist, gelang es bisher nicht, die Muskelfasern fest am Silizium zu verankern.

Carlos Montemagno und sein Team von der Universität von Kalifornien in Los Angeles haben jetzt jedoch eine Lösung für dieses Problem gefunden: Sie beschichteten die Seite des Siliziumbogens, an der die Muskelzellen anwachsen sollten, mit einem dünnen Goldfilm. Anschließend gaben sie den Bogen zusammen mit Herzmuskelzellen von Ratten in eine Kulturschale. Schon nach drei Tagen hatten die Zellen Muskelfasern gebildet, die sich an die Goldschicht angeheftet hatten. So entstand ein kabelähnlicher Strang von Herzmuskelfasern, der von einem Ende des Siliziumbogens zum anderen verlief.

Montemagno kann sich mehrere Anwendungen für solche Muskel-Bots vorstellen. So hatte ihn zum Beispiel die Nasa beauftragt, Miniroboter zu entwickeln, die auf der Außenseite eines Raumschiffs entlang kriechen und kleine Schäden reparieren können. Und auch in der Medizin könnten muskelgetriebene Bauteile eingesetzt werden, beispielsweise um Lücken nach einer Nervenverletzung zu überbrücken. Doch bis eine dieser Ideen tatsächlich umgesetzt werden kann, werden nach Montemagnos Einschätzung noch mehrere Jahrzehnte vergehen.

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Die lähmende Lücke überbrücken

26.01.2004

Ein Gerüst aus einem neuartigen Material soll in Zukunft die Reparatur durchtrennter Nerven erleichtern: Einmal im Körper, bildet die Substanz ein Gerüst, das Lücken zwischen den beiden Nervenenden überbrückt. Wie an einer Pergola können die Nervenzellen dann von beiden Seiten an dem gelartigen Netz entlang aufeinander zu wachsen und eine neue Verbindung eingehen. Über diese Entwicklung berichten amerikanische Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Science (Online-Vorabveröffentlichung, DOI: 10.1126/science.1093783).

Durchtrennte Nerven im Rückenmark verursachen Querschnittslähmungen und wachsen fast nie von alleine wieder zusammen. Einer der Hauptgründe dafür ist die Lücke, die bei der Verletzung entsteht und die von den Nerven beim Wachsen überbrückt werden muss. Es gibt bereits verschiedene Ansätze, durch implantierte Brücken beispielsweise aus Kollagen oder Fibrin diese Lücke zu schließen und damit die Nervenenden wieder zueinander zu bringen. Die meisten dieser Implantate sind jedoch ziemlich starr und müssen operativ eingesetzt werden, wobei zusätzliche Verletzungen entstehen können.

Die Methode, die Gabriel Silva und seine Kollegen von der Northwestern-Universität in Chicago entwickelt haben, umgeht dieses Problem auf elegante Weise: Die von den Wissenschaftlern verwendete Substanz ist aufgrund ihrer Zusammensetzung außerhalb des Körpers flüssig und kann daher problemlos in die verletzte Stelle injiziert werden. Kommt sie nach der Injektion mit Körpergewebe in Berührung, klumpt sie zusammen und bildet ein Netzwerk aus kleinen, hohlen Röhrchen, von denen jedes nur ein Millionstel eines Millimeters dick ist. So entsteht eine poröse, gelartige Masse, an der die Nerven entlang- oder durch die sie hindurchwachsen können.

Auf der Oberfläche der Röhrchen befinden sich zusätzlich spezielle Proteinfragmente, an denen sich die Nervenzellen beim Wachsen festhalten können. Nach etwa vier bis sechs Wochen löst sich das Gitter vollständig auf, so dass kein Fremdkörper im Rückenmark verbleibt. Im Labor gelang es den Forschern außerdem, die Wachstumsgeschwindigkeit der im allgemeinen sehr trägen Nerven zu beschleunigen. Sie fügten der flüssigen Lösung Nerven-Vorläuferzellen hinzu, die sich nach dem Zusammenklumpen des Materials ebenfalls in Nervenzellen umwandelten und so die Heilung beschleunigen können.

(aus dem News-Ticker Bild der Wissenschaft)

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