Erkenntnisse zu Innovationen – Quartalsupdate: Q3

Manchmal führt eine einzige wertvolle Erkenntnis sofort zu einer Innovation. Häufiger jedoch hat man den Eindruck, dass sich eine Innovation plötzlich und mit Macht Bahn bricht, doch in Wirklichkeit ist sie das Ergebnis jahrelanger Arbeit in unter­schiedlichen Bereichen. In diesem Quartal sind die spannenden Innovationen, über die wir berichten wollen, weitgehend der zweiten Kategorie zuzuordnen. Sie verbinden durchweg Fort­schritte aus so unterschiedlichen Bereichen wie Robotik und Materialwissenschaft miteinander und führen zu neuen erfinde­rischen Formen, die auf früheren Errungenschaften aufbauen. Gemeinsam ist ihnen ihr Potenzial, unsere Welt und die Wirt­schaft weit über die ursprünglichen Einsatzmöglichkeiten hinaus zu beeinflussen.

Ein fortschrittlicher neuer „Roboterhund“ nutzt Verstärkungslernen, um Parcours-Aufgaben zu meistern

Ein Forscherteam der Carnegie Mellon University erschuf vor Kur­zem einen Roboterhund, der auf Blöcke springt, die doppelt so hoch sind wie er selbst, der schwieriges Gelände meistert und der sich frei bewegen kann.¹ Verstärkungslernen, eine Technik, bei der künstliche Intelligenz (KI) zum Einsatz kommt, um das menschliche Lernen nachzubilden, versetzt diesen neuen Roboterhund in die Lage, dynamisch auf seine Umgebung zu reagieren.

Warum ist die Entwicklung relevant? Die Forscher haben ihren Schwerpunkt von der Frage, wie das „Gehirn“ eines Roboters ler­nen kann, auf die Frage verlegt, wie er mit seinem Körper neue Handlungen vollziehen kann. Dadurch werden Roboter immer agi­ler und können immer besser auf ihr Umfeld reagieren. Diese Verschiebung des Forschungsansatzes könnte dazu führen, dass Roboter lernen, wie sie für uns grundlegende tägliche Aufga­ben verrichten können.

Ein neues KI-Modell kann vorhersagen, wie sich Proteine durch die Wechselwirkung mit Molekü­len verändern

Die erste Version von AlphaFold, einem Programm, das Vorhersa­gen über die Proteinstruktur anstellt, kam 2020 heraus. Im Jahr 2024 wurde AlphaFold im Rahmen eines bedeutenden Durch­bruchs aktualisiert – es kann nun die Strukturen von Proteinen während Wechselwirkungen mit anderen Molekülen mit erstaunli­cher Genauigkeit vorhersagen.²

Warum ist die Entwicklung relevant? Die Entwickler von Alpha­Fold hoffen, dass sich durch diese Entwicklung die Leistungskraft der Technologie steigern lässt. Das Ziel ist es, die Struktur der über 100.000 Proteine in unserem Körper sowohl für sich allein genom­men als auch bei Wechselwirkungen vorhersagen zu können. Sollte dies gelingen, wäre es ein grundlegender Fortschritt für die Medikamentenentwicklung, sie müsste damit nicht mehr im Labor stattfinden, sondern könnte größtenteils am Rechner vollzogen werden.

Entdeckung hefeähnlicher Bakterien, die Kohlen­stoff verdauen und Ethanol produzieren

Eine der Antworten auf den Klimawandel könnte nun im Kot von Kaninchen gefunden worden sein – das Bakterium Clostridium autoethanogenum.³ Genau wie Hefe, die Zucker in Ethanol ver­wandelt, erzeugt dieses Bakterium Ethanol aus gasförmigem Koh­lenstoff. Ein Unternehmen scheidet überschüssige Kohlenstoffe­missionen aus Stahlwerken ab und leitet sie in einen mit dem Bak­terium angereicherten Lösung in einem Bioreaktor.

Warum ist die Entwicklung relevant? Das Klima profitiert in zwei­erlei Hinsicht von dieser Innovation. Erstens könnten diese Bakte­rien dafür sorgen, dass die CO2-Emissionen von Stahlwerken um 30 % zurückgehen, diese Branche ist für 11 % der globalen Emissio­nen verantwortlich. Zweitens kann das dabei entstehende Ethanol für die Herstellung von Flugzeugtreibstoff mit 85 % weniger CO2-Emissionen verwendet werden.⁴

Forscher erfinden einen Roboter, der seine Form verändern kann

Bei der Erfindung eines neuen Miniaturroboters, der seine Gestalt vom flüssigen in den festen Zustand wechseln kann, diente die fle­xible Seegurke als Inspiration.⁵ Durch die Einbettung magnetischer Partikel in das Metall Gallium konnten Forscher einen Roboter bauen, der ähnlich flexibel ist. Er kann Sprünge machen, die dem bis zu 20-Fachen seiner eigenen Größe entsprechen, Wände hochklettern und sogar aus einem Pseudo-Gefängnis entfliehen.

Warum ist die Entwicklung relevant? Dieser neue Roboter steht zwar ganz am Anfang seiner Entwicklungsphase, zeigt aber schon jetzt vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten im biomedizini­schen Bereich. Beispielsweise könnte er eingesetzt werden, um eine Münze aus dem Magen eines Menschen zu entfernen. Abgesehen von medizinischen Anwendungsmöglichkeiten könnte er auch helfen, schwer zu erreichende Schaltkreise zu montieren und zu reparieren, oder er könnte sogar als universell einsetzbare Schraube fungieren.

Fortschritte bei geothermischer Energie könnten helfen, die CO2-Emissionen zu reduzieren 

Neue Ideen für die Lösung alter Probleme lassen sich in den unwahrscheinlichsten Bereichen finden. In diesem Fall hat sich die geothermische Energie, eine der vielversprechendsten For­men der erneuerbaren Energien, als neue Anwendungsmöglich­keit für das hydraulische Fracking erwiesen.⁶ Festes Gestein in bis­her beispiellosen Tiefen wird aufgespalten, und Wasser wird zuge­führt. Dabei entsteht Dampf, der wiederum Turbinen antreibt, die Strom für das Netz erzeugen.

Warum ist die Entwicklung relevant? Heute deckt die geother­mische Energie weniger als 1 % des Energiebedarfs. Doch genau wie fossile Brennstoffe schwanken auch geothermische Energie­träger nicht in Abhängigkeit von den Wetterbedingungen oder der Uhrzeit. Diese Faktoren sind bei anderen erneuerbaren Energien große Hindernisse. Das heißt, diese Energie könnte dann Strom ins Netz einspeisen, wenn andere erneuerbare Energien nicht in vollem Umfang verfügbar sind.