Center Smart Materials and Adaptive Systems CeSMAProjekt Bio4Comp
Bestimmte mathematische Fragestellungen mit hoher Relevanz für die sozio-ökonomischen und -ökologischen Fragestellungen der Gegenwart lassen sich mit gängigen Halbleiter-basierten Computern nicht lösen. Ein typischer Fall ist das Travelling Salesman Problem, bei dem die Reise eines Individuums zu einer Vielzahl an Zielen optimiert werden soll. Die möglichen Kombinationen der Reiseroute sind derart vielfältig, dass sie die Rechenkapazität von Supercomputern leicht überfordern.
Um solchen Fragestellungen mit exponentiell wachsender Komplexität numerisch begegnen zu können, wird in Bio4Comp netzwerk-basierte Bio-Computation (NBC) eingesetzt. Dabei werden biologische Filamente durch physische und chemische Wegführung in Kombination mit molekularen Motoren eingesetzt. Das mathematische Problem ist in der Gestalt eines nanofluidischen Netzwerks, das diese Filamente durchlaufen, enkodiert. Durch die bloße Zahl dieser „Agenten“ wird die Lösungsfindung massiv parallelisiert, was die Lösung komplexer Fragestellungen signifikant erleichtert.
Die Realisierung eines funktionierenden NBCs ist allerdings nicht trivial. In Bio4Comp werden verschiedene Technologien eingesetzt, um NBC besser nutzbar zu machen. Das Fraunhofer ISC beteiligt sich in der Entwicklung von sogenannten Error-free Junctions, also Verbindungen, die ein falsches Abbiegen von Filamenten im Netzwerk unterbinden. Um dies zu bewerkstelligen wird das Netzwerk mit der Zwei-Photonen Polymerisation (LINK) in die dritte Dimension erweitert. Zwei Kanäle werden durch die Herstellung von Tunneln und Brücken vollständig voneinander getrennt, wodurch die Fehlerrate der NBC stark vermindert wird.
Erst dies ermöglicht ein Skalieren zu immer komplexeren Systemen.
Einfaches Design einer fehlerfreien Verbindung (REM-Analytik).
Höhencharakterisierung mit Laser-Scanning-Mikroskopie (rot bedeutet 3 µm Höhe).
Beispielhafte Charakterisierung der Bewegung von Filamenten in einer Testgeometrie mit einer fehlerfreien Verbindung im Zentrum.
Fördergeber:
Europäische Union
Laufzeit:
5 Jahre (1.1.2017 – 31.12.2021)
Projektpartner:
Lund University, Schweden / Technische Universität Dresden, Deutschland / Linnaeus University Kalmar, Schweden / Molecular Sense Ltd., UK / Bar-Ilan University, Ramat-Gan, Israel / Fraunhofer ENAS, Deutschland / Fraunhofer ISC, Deutschland