Karlsruher Institut für Technologie

Information

Der Treibstoff unserer Gesellschaft entsteht am KIT

Informationen sind der Treibstoff unserer modernen Gesellschaft. Ein sicherer und nutzbringender Umgang mit ihnen ist für das Bestehen und die Weiterentwicklung unseres Gemeinwesens im Zeitalter der Digitalisierung unerlässlich. An technischen Systemen dafür forschen am KIT rund 800 Forscherinnen und Forscher in etwa 30 Instituten über die Fachgrenzen hinweg. Spezialistinnen und Spezialisten aus so unterschiedlichen Disziplinen wie Informatik, Wirtschaftswissenschaften, Elektro- und Informationstechnik, dem Maschinenbau sowie den Sozialwissenschaften bearbeiten  gemeinsam drängende Themen wie Cybersicherheit oder Management und Analyse riesiger Datenmengen. Sie entwickeln zukunftsweisende humanoide Roboter, die auf menschliche Sprache und Gesten reagieren, intelligente Maschinen für die Industrie von morgen und die Arbeit in unwirtlichen Umgebungen wie der Tiefsee oder fernen Planeten. Sie erproben revolutionäre Kommunikationsnetze für das Autonome Fahren.

Cyberattacken abwehren

Übermittlung von Nachrichten, Verkehr, Industrieproduktion, Forschung, Verwaltung – nahezu kein Bereich kommt mehr ohne moderne Informations- und Kommunikationstechnologien aus. Durch die fortschreitende Vernetzung durch digitale Trends wie Stromnetze der Zukunft, Industrie 4.0, Smart Home oder selbstfahrende Autos werden die Angriffsflächen für Cyberkriminelle immer größer – Gleichzeitig nimmt die Zahl der Cyberangriffe stetig zu. Solche Attacken auf die digitale Infrastruktur durch Kriminelle oder staatliche Organisationen bedrohen den Wohlstand und die Sicherheit unserer Gesellschaften, am Ende sogar Freiheit und Demokratie. Für hochentwickelte Länder so gefährliche Cyberattacken abzuwehren, daran arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Kompetenzzentrum für IT-Sicherheit KASTEL am KIT.

Robo-Helfer für Haushalt und Arbeitsplatz

Das KIT ist die Heimat der humanoiden Roboter der ARMAR-Familie, die den Menschen zukünftig im Haushalt und am Arbeitsplatz unterstützen sollen: Während herkömmliche Industrieroboter hinter Absperrgittern agieren, kann ARMAR-6 direkt mit Menschen zusammenarbeiten. Er ist dazu nicht auf eine bestimmte Betätigung festgelegt, sondern kann durch Beobachten des Menschen den Gebrauch neuer Werkzeuge selbst lernen und  seinen Kolleginnen und Kollegen mit Hammer oder Bohrmaschine zur Hand gehen. Das funktioniert nicht nur mit wenigen vorprogrammierten Arbeitsgeräten, denn dank seiner Künstlichen Intelligenz kann der Robo-Helfer seine Fähigkeiten kontinuierlich verbessern, durch Beobachten, sprachliche Anweisung oder aus eigener Erfahrung. Als echter Assistent kann ARMAR-6 erkennen, wann ein Mensch Hilfe benötigt und diese proaktiv anbieten. ARMAR-3 hilft derweil in der Küche, holt Milch aus dem Kühlschrank, rührt Teig an und putzt hinterher die Arbeitsplatte.

Mit Roboterteams fremde Welten erkunden

High-Performance-Teams können Herausforderungen bewältigen und Ziele erreichen, an denen die oder der Einzelne trotz herausragender Fähigkeiten scheitern würde. Forscherinnen und Forscher am KIT wollen autonome Maschinen so miteinander verknüpfen, dass sie in der Tiefsee oder auf dem Mars gemeinsam schwierige Aufgaben bewältigen. Die Roboterteams aus fliegenden oder schwimmenden Drohnen und Transport-, Verlade- oder Arbeitseinheiten werden so zusammengestellt und aufeinander abgestimmt, dass sie in lebensfeindlichen Umgebungen wie dem Mars oder dem Meeresgrund selbstständig Equipment aufbauen oder Proben nehmen können. Verwertet werden können die Erkenntnisse aus der Forschung des Projekts Arches  auch beim autonomen Fahren sowie in Logistik und Transport.

Mit Künstlicher Intelligenz Sprachbarrieren überwinden

Im internationalen Austausch, ob in Wirtschaft oder Politik, sind Übersetzungsleistungen gefragt. Forscherinnen und Forscher des Interactive Systems Lab des KIT entwickeln selbstlernende Systeme zur automatischen Spracherkennung und Simultanübersetzung. Die automatische Spracherkennung ermöglicht Echtzeit-Transkriptionen. Ein automatischer Vorlesungsübersetzer in Hörsälen des KIT hilft den internationalen Studierenden dabei, Vorlesungen in deutscher Sprache zu folgen.

Data Intensive Computing: Programme wachsen mit ihren Aufgaben

Forschungshochleistungsrechner ForHLR am KIT KIT

Die digitale Revolution hat Wissenschaft, Technik und Alltagsleben tiefgreifend verändert: Computeranwendungen verarbeiten immer größere Datenmengen mit immer komplexeren Algorithmen. Allerdings droht die Skalierbarkeit der Programme, das heißt ihre Fähigkeit, mit ihren Aufgaben zu wachsen, an Grenzen zu stoßen: Denn die Leistung einzelner Prozessoren ist beschränkt – um größere Probleme zu lösen, müssen also viele Prozessoren gleichzeitig eingesetzt werden. Parallele Algorithmen wurden von der Forschung lange vernachlässigt. Software wird für bestehende Systeme und Datensätze optimiert, lässt sich aber noch nicht auf zukünftig weiter wachsende Datenmengen und steigende Prozessorzahlen skalieren.

An diesem Punkt setzt das Projekt „ScAlBox – Engineering Scalable Algorithms for the Basic Toolbox“ an. Forscherinnen und Forscher arbeiten hier an Algorithmen und Software-Komponenten, die sich auf beliebig große Datensätze und Millionen von parallel arbeitenden Prozessoren skalieren lassen, um Aufgaben wie Suchen, Sortieren, Warteschlangenverwaltung, Lastverteilung auf parallel arbeitende Prozessoren und Kommunikation zwischen Prozessen zu erfüllen.

Künstliche Intelligenz und Data Science in der Medizinforschung

Bei der Erforschung, Diagnose und Behandlung von Krankheiten entstehen Unmengen von Daten. Diese Datenflut systematisch zu durchkämmen, kann neues Wissen für die Diagnose und Therapie von Erkrankungen wie Krebs schaffen. Darin bilden das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das Deutsche Krebsforschungszentrum (DKFZ) und die Universität Heidelberg gemeinsam junge Forscherinnen und Forscher aus, die an der Schnittstelle von Gesundheitsforschung,  Lebens- und Datenwissenschaften arbeiten. 

An der Helmholtz Information & Data Science School for Health (HIDSS4Health) werden Nachwuchswissenschaftler für die Arbeit mit den im Gesundheitsbereich anfallenden Datenmengen ausgebildet. Die jungen Wissenschaftler lernen, basierend auf der Auswertung riesiger Datenmengen neue Methoden für die Diagnose und Therapie zu entwickeln. Maschinelle Lernverfahren und andere datengetriebene Methoden können bei der Interpretation von Bildern aus der Computertomographie oder Kernspintomographien helfen. Aufgaben, für die Ärzte sehr viel Erfahrung brauchen. Auch bei der personalisierten Strahlentherapie gibt es Einsatzmöglichkeiten für Methoden und Technologien aus den Datenwissenschaften. Auch könnten computerbasierte Methoden wie Simulatoren oder robotergestützte Chirurgietrainer in der Medizinerausbildung eingesetzt werden.

Chirurgisches Assistenzsystem im experimentellen Operationssaal des Instituts für Anthropomatik KIT

Noch schnelleres Mobilfunknetz dank 6G-Technologien

Mobilfunkgerät Henning Strauch/KIT

Drahtlose Datennetze der Zukunft müssen höhere Übertragungsraten und kürzere Verzögerungszeiten ermöglichen und dabei immer mehr Endgeräte versorgen. Der neueste Mobilfunkstandard 5G ist noch im Kommen, da arbeiten Forscherinnen und Forscher bereits an Technologien für die nächste Generation der drahtlosen Datenübertragung. „6G“ soll noch deutlich höhere Übertragungsraten, kürzere Verzögerungszeiten, eine größere Gerätedichte sowie die Integration Künstlicher Intelligenz ermöglichen. Die drahtlosen Netze der Zukunft werden aus einer Vielzahl kleiner Mobilfunkzellen bestehen, innerhalb derer hohe Datenmengen schnell und energieeffizient übertragen werden. Zur Vernetzung dieser Zellen werden Funkstrecken benötigt, mit denen sich Dutzende oder gar Hunderte von Gigabit pro Sekunde auf einem Kanal übertragen lassen. Dazu bieten sich Frequenzen im Terahertz-Bereich an, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Mikrowellen und der Infrarotstrahlung liegen.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, drahtlose Übertragungsstrecken nahtlos mit Glasfasernetzen zu verbinden, um die Vorteile beider Technologien zu vereinen – hohe Kapazität und Zuverlässigkeit mit Mobilität und Flexibilität. Forscherinnen und Forscher des KIT und des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg verwenden  ultraschnelle elektro-optische Modulatoren, um ein Terahertz-Datensignal direkt in ein optisches Signal umzuwandeln und damit die Empfängerantenne direkt an eine Glasfaser anzukoppeln. Das Konzept kann die technische Komplexität von zukünftigen Mobilfunk-Basisstationen drastisch reduzieren und Terahertz-Verbindungen mit enorm hohen Datenraten ermöglichen – vorstellbar sind mehrere Hundert Gigabit pro Sekunde.