Kooperation mit Fraunhofer
Die Zusammenarbeit mit der Fraunhofer-Gesellschaft ist auf Grund ihrer Ausrichtung auf angewandte Forschung von besonderem Interesse. Im Rahmen des Pakts für Forschung und Innovation haben die Max-Planck-Gesellschaft und die Fraunhofer-Gesellschaft ihre Kooperationen gezielt in fachlichen und übergreifenden Bereichen fortgeführt und vertieft. Seit 2005 sind an der Schnittstelle zwischen angewandter Forschung und Grundlagenforschung zahlreiche Projekte identifiziert und in die Förderung aufgenommen worden. Sie stammen aus den Bereichen Informatik, Materialwissenschaften/Nanotechnologie und Biotechnologie sowie den Regenerativen Energien und der Photonik. Ziel ist es, durch diese Kooperationen die in der Grundlagenforschung gewonnenen Erkenntnisse zur Anwendung zu führen und damit einen direkten Beitrag zur Entwicklung neuer Technologien zu leisten.
MaxwellSuits – ultraleichte Stütz-Bekleidung für roboterbasierte Assistenz
Vor etwa 60 Jahren entwickelten Forscher den ersten tragbaren Roboter, der mit dem Körper arbeitet, statt ihn zu ersetzen. Ziel war es, maschinelle Kraft und Präzision mit menschlicher Vielseitigkeit zu verbinden und Menschen so bei schwerer körperlicher Arbeit, im Alter oder bei der Rehabilitation nach einer Verletzung zu unterstützen. Tragbare Roboter – heute meist als Exoskelette bekannt – bestehen aus starren Gliedern und mechanischen Gelenken. Sie finden zunehmend Einsatz, etwa in der klinischen Rehabilitation. Sie sind jedoch starr, schwer, voluminös und teuer, was sowohl ihre Akzeptanz als auch Funktionalität einschränkt. Deshalb gewinnen sogenannte Exosuits an Bedeutung: weiche, kleidungsähnliche Roboter. Sie nutzen flexible Materialien, sind leichter, anpassungsfähiger und komfortabler als Exoskelette, sie beeinträchtigen die Beweglichkeit nicht und lassen sich unauffällig unter Kleidung tragen. Mit dem Projekt „MaxwellSuits“ soll die nächste Generation von Exosuits aufgelegt werden: Sie sollen leichter, weicher, sicherer und leistungsstärker werden. MaxwellSuits kombiniert die Kompetenz des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung bei der Entwicklung von Exoskeletten mithilfe von Simulationen und die Forschung des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme zu weichen Aktuatoren. Aktuatoren wandeln elektrische Impulse in mechanische Bewegung um. Bei den Aktuatoren der MaxwellSuits wird ein elektrisches Feld von außen an mit Öl gefüllte Taschen, bestehend aus dünnen Kunststofffolien, angelegt. Durch die daraus resultierende Maxwell-Spannung verformen sich die Taschen, was zu einer Muskel-ähnlichen Kontraktion führt. Das Team von MaxwellSuits möchte exemplarisch Exosuits entwickeln, die präventiv den Rumpf stabilisieren und das Sprunggelenk motorisch unterstützen. Außerdem planen sie, einen strukturierten Entwicklungsprozess für Exosuits zu schaffen, der sich mithilfe von Simulationen und realen Tests zuverlässig wiederholen lässt.
Beteiligte Institute:
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, Translationszentrum für Regenerative Medizin
Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme
Laufzeit: 2023 - 2027
SAPs4Tissue – Selbst-assemblierende biologisch aktive Peptidnanofibrillen für das biomimetische Design funktionaler Zellnischen humaner Gewebemodelle
Künstliche Organe und Gewebe könnten die Zahl der nötigen Tierversuche bei der Entwicklung neuer Medikamente reduzieren. Die künstlichen Zellstrukturen werden aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen auf extrazellulären Matrizen (EZM) erzeugt, die spezifisch für die jeweiligen Organe sind und maßgeblich deren Entwicklung, die Funktionstüchtigkeit und die Regenerationsfähigkeit von Organen bestimmen. Das SAPs4Tissue-Team verwendet für die EZM biologisch aktive selbstassemblierende Peptidnanofibrillen (SAP), die sich selbstorganisiert zu größeren Strukturen zusammenlagern. Mithilfe dieser SAP könnte sich die Organentwicklung besser kontrollieren lassen als mit den heute genutzten EZM, weil sich ihre physikalischen und biochemischen Eigenschaften durch Variationen der chemischen Zusammensetzung und Struktur gezielt einstellen lassen. In dem Projekt wollen die Forschenden in einem automatisierten Screeningverfahren biologisch aktive SAP identifizieren und ihre Wirkung auf die Entwicklung bestimmter Organe aufklären, sodass letztlich eine Bibliothek von SAP für die Organzüchtung entsteht. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird das Team aus induzierten pluripotenten Stammzellen mithilfe von SAP Darmepithelzellen erzeugen und untersuchen, inwiefern diese sich für die Erforschung von Darmerkrankungen und die Testung von pharmazeutischen Wirkstoffen eignen.
Beteiligte Institute:
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, Translationszentrum für Regenerative Medizin
Max-Planck-Institut für Polymerforschung
Laufzeit: 2023 - 2026
RICIMER – Roman inspired Concrete Innovation by Multi-analytical enhanced Research
Ein Baumaterial aus dem antiken Rom setzt heute noch Maßstäbe: Die Römer errichteten etwa die Kuppel des Pantheons aus einem selbstheilenden, erdbebensicheren Beton, den sie nicht mit Portland-Zement, sondern mit Vulkanasche anrührten und dessen Produktion deutlich weniger CO2-Emissionen verursacht als die Herstellung heutigen Betons. Das Ricimer-Team möchte das Rezept dieses Baumaterials, das im Mittelalter verloren gegangen ist, nun wieder erforschen. Ein Grund dafür ist nicht zuletzt, dass Vulkanasche den Schmelzprodukten in der Aschen von städtischen Müllverbrennungsanlage ähnelt, die im Beton eine sinnvolle Verwendung finden könnte. Mit der Entwicklung von alternativen Baumaterialien wollen die Forschenden dazu beitragen, eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft zu etablieren und die globalen CO2-Emissionen zu senken. Um mit der Schlacke von Müllverbrennungsanlagen Zement ersetzen zu können, wollen die Forschenden zunächst im Detail die komplexe Mikrostruktur des römischen Betons aufklären und untersuchen, welche Faktoren die Struktur beeinflussen und etwa die selbstheilenden Eigenschaften bewirken. Von den dabei gewonnenen Erkenntnissen versprechen sie sich Hinweise, die Schlacke verarbeitet werden muss, damit daraus ein Beton entsteht, der mit dem antiken Baumaterial vergleichbar ist.
Beteiligte Institute:
Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP)
Max-Planck-Institut für Festkörperforschung
Laufzeit: 2022 – 2026
LAR3S – Lasergenerierte dreidimensionale photonische Komponenten
Daten werden zunehmend optisch ausgetauscht und verarbeitet. Und auch die Quanteninformationsverarbeitung kann sich nur durchsetzen, wenn es photonische Bauelemente gibt, die Lichtsignale transportieren, formen, speichern und mit hoher spektraler Selektivität filtern können. Solche Bauteile sind zudem auch für spektroskopische Verfahren in der Grundlagenforschung oder optische Sensoren nützlich. Die Partner des LAR3S-Projekts entwickeln daher Methoden, um Mikroresonatoren und photonische Kristallfasern (PCF) herzustellen, die in der optischen Signalverarbeitung neue Möglichkeiten eröffnen. Mikroresonatoren sind ringförmige Bauteile, die Licht speichern und modulieren können. Die Forschenden wollen sie nun fertigen, indem sie das selektive Laser-induzierten Ätzverfahren und das Laserpolieren kombinieren. So sollen Resonatoren entstehen, die Licht besser speichern und andere Geometrien als eine ringförmige – etwa die Form eines Möbiusbandes oder einer Acht – aufweisen und daher neue Funktionen bei der Verarbeitung von Licht übernehmen können. Auch die Eigenschaften und Funktionen von PCF wollen die Forschenden durch ein neues Herstellungsverfahren verbessern beziehungsweise erweitern. PCF leiten und modulieren Licht mithilfe von Hohlräumen, die sich der Länge nach durch eine Glasfaser ziehen. Die Glasstäbe, aus denen die Fasern gezogen werden, wollen die Forscher nun herstellen, indem sie die Hohlräume mithilfe des inversen Laserstrahlbohrens in einen Stab aus Quarzglas hineinbohren, statt die Vorläufer der Fasern aus Glaskapillaren aufwendig zusammenzusetzen. Auf diese Weise sollen PCF mit neuen Geometrien und somit neuen Eigenschaften entstehen.
Beteiligte Institute:
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts
Laufzeit: 2022 – 2025
GT-4-ET – Glass Technologies for the Einstein Telescope
Der Nachweis von Gravitationswellen 2015 hat der Astronomie völlig neue Sinneseindrücke eröffnet. Während sie bis dato nur sichtbare kosmische Prozesse untersuchen konnte, kann sie seither Ereignisse gewissermaßen auch hören, nämlich über winzige Verzerrungen der Raumzeit. Darunter sind auch Phänomene, die nicht zu sehen sind. Doch um die extrem schwachen Gravitationswellen wahrnehmen zu können, braucht sie sehr feine Ohren. Daher wollen die Forschenden des GT-4-ET-Projekts dazu beitragen, das Gehör des geplanten Einstein-Teleskops im Vergleich zu heutigen Gravitationswellendetektor noch einmal deutlich zu schärfen. Ein Ansatz dabei ist, den Detektor noch besser vor Erschütterungen des Erdreichs zu schützen. Zu diesem Zweck entwickelt das Team Sensoren, um die Bewegungen der hängenden etwa 200 Kilogramm schweren Glasspiegel, die zentrale Elemente der Detektoren sind, extrem genau zu messen. Die Bewegungen werden daraufhin aktiv unterdrückt. Zudem verfolgt GT-4-ET einen neuen Weg, um winzige Schwankungen in der Laserleistung zu messen und in einem integrierten System auch direkt auszugleichen. Auf diese Weise reduzieren die Forschenden das Rauschen des Detektors, in dem bislang nur besonders starke Signale auszumachen sind. Sowohl für die Bewegungssensoren als auch für die Rauschunterdrückung müssen sie neue Techniken einsetzen, nicht zuletzt für die Fertigung der Sensoren. Diese Techniken könnten nicht nur in der Gravitationswellenastronomie sondern auch in anderen Bereichen Anwendungen finden, in denen extrem hohe Präzision verlangt ist, etwa in anderen Bereichen der Astronomie, aber auch in der Bohrtechnik zur Förderung von Rohstoffen oder Quantenkommunikation.
Beteiligte Institute:
Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik, IOF
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut)
Laufzeit: 2022 – 2026
NeuroHum - Neurocognitively-guided modelling of virtual humans for enhanced realism in immersive media (NeuroHum)
Fast richtig ist meistens ein schwacher Trost. Gar nicht hilfreich ist es, wenn virtuelle Menschen fast echt aussehen. Dann wirken sie oft beunruhigender als eine stilisierte Comicfigur. Eine genauere Kenntnis, welche Merkmale eines Avatars dieses unbehagliche Gefühl hervorrufen, soll helfen, realistisch wirkende virtuelle Menschen zu erzeugen. Diese könnten etwa in animierten Filmen, Computerspielen und immersiven Medien mit virtueller oder erweiterter Realität, in die Nutzerinnen und Nutzer eintauchen können, Verwendung finden. Auf welche Eigenschaften des Gesichts, der Mimik oder der Körperhaltung und –bewegung sollen Computergrafiker künftig verstärkt ihr Augenmerk legen? Um diese Frage zu beantworten, werden die Projektpartner in neurokognitiven Experimenten mittels Virtueller Realität zunächst analysieren, wie das menschliche Gehirn auf entsprechende Abweichungen von einer fotorealistischen Figur reagiert. Auf diese Weise werden sie auch mehr darüber lernen, wie wir Menschen unter natürlichen Bedingungen wahrnehmen.
Beteiligte Institute:
Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich Hertz Institute (HHI)
Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften
Laufzeit: 2021 – 2025