Publikationspreise

Das Buch fasst die Ergebnisse des transregionalen Sonderforschungsbereiches TRR141 ‚Biological Design and Integrative Structures‘ zusammen, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft zwischen 2014 und 2019 gefördert und von Architekten, Ingenieuren und Naturwissenschaftlern der Universitäten Stuttgart, Freiburg und Tübingen getragen wurde.

Solange der Mensch baut, hat er sich am Vorbild der Natur orientiert. Bisher blieb es aber bei der Übertragung von Formen und Ornamenten. Der Übergang zu digitalen Methoden in allen Bereichen der Wissenschaft ermöglicht jetzt einen anderen Zugang zum Transfer von Funktionen aus der Biologie und damit eine neue Definition des Verhältnisses zwischen Natur, Architektur und Technik. Ziel der in diesem Buch dargestellten Projekte ist es, die Möglichkeiten dieses bionischen Transfers anhand sehr unterschiedlicher Fragestellungen zu untersuchen.

Das vorliegende Buch ist eine geringfügig überarbeitete und etwas erweiterte Version eines Begleitbandes zur Ausstellung „Baubionik – Biologie beflügelt Architektur“ im Naturkundemuseum Stuttgart.

„Das Buch ´Bionisch bauen: Von der Natur lernen´ bietet einen tiefen Einblick in die interdisziplinäre Forschungsarbeit des transregionalen Sonderforschungsbereichs ´Entwurfs- und Konstruktionsprinzipien in Biologie und Architektur´. Es zeigt eindrucksvoll auf, wie an der Schnittstelle von Architektur, Ingenieurs- und Naturwissenschaften neue Ansätze für das Bauen der Zukunft entstehen können.”
Prodekan Prof. Achim Menges, Fakultät 1

• Institut für Tragekonstruktionen und konstruktives Entwerfen (ITKE)
• Transregionaler Sonderforschungsbereich TRR141 "Biological Design and Integrative Structures"

Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Jan Knippers, Institut für Tragekonstruktionen und konstruktives Entwerfen, Fakultät 1, Telefon: +49 711 685 83280, E-Mail

Knippers, J., Schmid, U., & Speck, T. (Eds.). Bionisch bauen: von der Natur lernen. Birkhäuser 2019.

Skelettmuskel sind ein integraler Bestandteil des Bewegungsapparates. Die Modellierung und computergestützte Simulation von Bewegungen des muskuloskelettalen Systems setzt somit eine genaue Beschreibung der mechanischen Eigenschaften von Muskeln voraus. Gewebeveränderungen etwa in Folge von Krankheiten können diese Eigenschaften stark beeinflussen, zeigen sich jedoch üblicherweise auf sehr viel kleineren Längenskalen, etwa in den zugrundeliegenden Proteinstrukturen im Mikrometerbereich. Das in der Publikation präsentierte kontinuumsmechanische Mehrskalenmodell für Skelettmuskelgewebe erlaubt die direkte Verwendung von mikrostrukturellen Daten und stellt somit einen wichtigen Paradigmenwechsel in der Skelettmuskelmodellierung dar. Experimentelle Ergebnisse aus histologischen Untersuchungen oder bildgebenden Verfahren können damit direkt als Eingangsparameter für Simulationen verwendet werden. Das präsentierte Modell ist somit ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu angestrebten klinischen Anwendungen.

„Die Publikation von Herrn Bleiler, einem jungen Nachwuchswissenschaftler unserer Fakultät, stellt nicht nur einen Paradigmenwechsel in der Mehrskalenmodellierung von Muskelgewebe dar, sondern zeigt auch eindrucksvoll wie sich durch den Aufenthalt eines Humboldt-Forschungspreisträgers an der Universität Stuttgart eine neue, produktive und internationale Forschungskooperation entwickeln kann.”
Dekan Prof. Harald Garrecht, Fakultät 2

• Institut für Modellierung und Simulation Biomechanischer Systeme (IMSB)
• Kooperationspartner University of Pennsylvania, Prof. Pedro Ponte Castañeda

Kontakt: 
Christian Bleiler, Institut für Modellierung und Simulation Biomechanischer Systeme,  Fakultät 2, Telefon: +49 711 685 65853, E-Mail 

Bleiler, C., Ponte Castañeda, P. und Röhrle, O. (2019). A micro-structurally-based, multi-scale, continuum-mechanical model for the passive behaviour of skeletal muscle tissue. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 97, 171-186.

In dieser Veröffentlichung wird gezeigt, dass THz-Spektroskopie eine effiziente Messung der elektrischen Leitfähigkeit und damit die Bestimmung dieser Eigenschaft bei neuartigen 2D-Materialien wie Graphen erlaubt. Diese Materialien haben überragende Eigenschaften für eine Vielzahl von Anwendungen, z. B. versprechen diese eine wesentlich schnellere und energieeffizientere Elektronik als gegenwärtig. Es wurden Quanteneffekte in der Leitfähigkeit von Graphen in hohen Magnetfeldern verglichen, sowohl konventionell mittels Kontaktverfahren als auch spektroskopisch gemessen. Es zeigte sich, dass Kontaktmessungen dazu tendieren die Leitfähigkeit zu überschätzen, während die kontaktlose Spektroskopie besser geeignet ist, um Flächeneigenschaften zu bestimmen. THz-Spektroskopie erlaubt darüber hinaus Messungen ohne die Probe zu kontaktieren, was deren Eigenschaften verändern und diese für andere Anwendungen wertlos machen kann. Dies erlaubt eine effiziente Qualitätskontrolle für die Optimierung der großflächigen Herstellung von 2D-Materialien für zukünftige Anwendungen.

„Die Forschungskommission der Fakultät Chemie hat entschieden, exzellente Arbeiten, die primär eigenständig von Nachwuchswissenschaftler*innen durchgeführt wurden, für den Preis vorzuschlagen. Herr Dr. Dominik Bloos hat erstmalig die Transporteigenschaften von Graphen mittels der Terahertz magneto-optischen Methoden sowohl berührungslos als auch richtungsabhängig ermittelt.“
Prodekan Prof. Elias Klemm, Fakultät 3

• Institut für Physikalische Chemie, van Slageren Forschungsgruppe 
• Fakultät 3 - Chemie

Kontakt:
Dr. Dominik Bloos, Institut für Physikalische Chemie, Fakultät 3, Telefon: +49 711 685 64478, E-Mail

Bloos, D., Kunc, J., Kaeswurm, L., Myers-Ward, R. L., Daniels, K., DeJarld, M., Nath, A., van Slageren, J., Gaskill, D. K., Neugebauer, P. (2019): Contactless millimeter wave method for quality assessment of large area graphene. In: 2D Materials, (IF 7.14), Volume 6, Number 3.

Chronische neuropathische Schmerzen sind Nervenschmerzen, die durch Schädigungen oder Erkrankungen von Nervenstrukturen entstehen. Sie beeinträchtigen die Lebensqualität der Patienten erheblich und sprechen auf gängige Schmerzmedikamente wenig bis gar nicht an. Frauen erkranken häufiger an neuropathischem Schmerz als Männer und präklinische und klinische Studien zeigen, dass weibliche und männliche Patienten oft nicht gleichermaßen auf Medikamente ansprechen. In der vorgestellten Arbeit entwickelten wir ein neues Arzneimittel, das in der präklinischen Anwendung bei beiden Geschlechtern langanhaltende Schmerzlinderung zeigte. Mechanistisch konnten wir zeigen, dass die Schmerzlinderung über spezifische regulatorische Immunzellen vermittelt wird. Diese lindern nicht nur den Entzündungsprozess, der die Nervenschädigung auslöst, sondern tragen gleichzeitig auch zur Regeneration des Nervengewebes bei. Zusammenfassend stellen wir in dieser Studie ein neues potentielles Medikament vor, welches das Immunsystem so umprogrammiert, dass eine langanhaltende Schmerzlinderung erzielt wird. Dieses Medikament hat großes Potential für die klinische Anwendung bei Schmerzpatienten.

„Die ausgezeichnete Publikation zeigt eindrucksvoll wie Immunsystem und Nervensystem miteinander interagieren und wie diese Wechselbeziehung neue Ansätze zur effektiven Therapie des neuropathischen Schmerzes ermöglicht. Das hier vorgestellte Medikament wird hoffentlich in absehbarer Zukunft einen bisher ungedeckten medizinischen Bedarf im Bereich der chronischen Schmerztherapie abdecken.”
Dekan Prof. Günter Scheffknecht, Fakultät 4

• Institut für Zellbiologie und Immunologie
• Department of Biology, Drexel University
• Fakultät 4 - Energie-, Verfahrens- und Biotechnik

Kontakt
Roman Fischer, Institut für Zellbiologie und Immunologie, Fakultät 4, Telefon: +49 711 685-67453, E-Mail

Fischer, R., Sendetski, M., del Rivero, T., Martinez, G. F., Bracchi-Ricard, V., Swanson, K.A., Pruzinsky, E. K., Delguercio, N., Rosalino, M. J., Padutsch, T., Kontermann, R.E., Pfizenmaier, K., Bethea, J. R. (2019): TNFR2 promotes Treg-mediated recovery from neuropathic pain across sexes. In: PNAS August 20, 2019 116 (34) 17045-17050.

Ähnlich wie elektronische Schaltungen können auch Licht verarbeitende Strukturen, so genannte photonische Bauelemente, auf kleinstem Raum in Silizium-Chips integriert werden. Bei allen Anwendungen, sei es in der Nachrichtentechnik, der Sensorik oder bei Quantenexperimenten, ist die entscheidende Stelle der möglichst verlustfreie Übergang zwischen der Außenwelt und dem Chip. Dieser wird meist in Form eines einfachen planaren Beugungsgitters realisiert, allerdings gehen dabei etwa 50% des Lichtes verloren. In unserem Artikel präsentieren wir als Highlight einen Gitterkoppler mit einer messtechnisch nachgewiesenen Koppeleffizienz von 89%, dem derzeitigen Weltrekord bei einer Wellenlänge von 1,55 µm. Möglich wurde dies durch ein spezielles Design und eine angepasste Fertigungstechnik. Zusätzlich werden optisch breitbandige und kompakte Varianten vorgestellt. Vor allem die gezeigten Messwerte verleihen den Forschungsergebnissen Gewicht, da andere Gruppen zwar noch höhere Effizienzen simuliert haben, der experimentelle Nachweis aber bisher nicht geführt wurde.

„Das Themengebiet 'Integrierte photonische Systeme' ist einer der Kernpunkte der strategischen Entwicklungspläne der Fakultät für Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik für die nächsten Jahre. Der nominierte Beitrag 'Ultra-Efficient Silicon-on-Insulator Grating Couplers with Backside Metal Mirrors' liefert neue wissenschaftliche Erkenntnisse auf diesem Gebiet. Durch die weltweit höchsten experimentell nachgewiesenen Koppeleffizienzen  und Bandbreiten hat der Beitrag eine sehr große praktische Bedeutung in der optischen Datenübertragung sowie für photonische Quantentechnologien.”
Prodekan Prof. Krzysztof Rudion, Fakultät 5

• Institut für Elektrische und Optische Nachrichtentechnik
• Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen 
• Institut für Mikroelektronik
• Fakultät 5 - Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik

Kontakt:
Niklas Hoppe, Institut für Elektrische und Optische Nachrichtentechnik, Fakultät 5, Telefon: +49 711 685-67918, E-Mail

Hoppe N., Zaoui, W., Rathgeber, L., Wang, Y., Klenk, R., Vogel, W., Kaschel, M., Portalupi, S., Burghartz, J., Berroth, M. (2019): Ultra-Efficient Silicon-on-Insulator Grating Couplers With Backside Metal Mirrors.

Die Mehrzahl der in Natur und Technik vorkommenden Strömungen ist turbulent, d.h. sie ist durch eine Vielzahl von Strukturen dominiert, die wir optisch als Wirbel wahrnehmen. Durch die gegenseitige Interaktion dieser Skalen, die viele Größenordnungen überspannen können, ist eine vollständige numerische Simulation dieser Strömungen äußerst aufwändig. Einen Ausweg bietet hier die sog. Turbulenzmodellierung. Die dabei eingesetzten Schließungsmodelle reduzieren die Rechenkosten um Größenordnungen und machen damit die Simulation von Turbulenz in technischen Anwendungen erst möglich. Sie sind aber notwendigerweise approximativ, d.h. ihre Eigenschaften sind maßgeblich für die Qualität der Ergebnisse verantwortlich. Üblicherweise erfolgt die Entwicklung solcher Modelle basierend auf mathematischen und physikalischen Gedanken, neuartig an unserem Ansatz ist es, diese zusätzlich mit datenbasierten Methoden aus dem Bereich des maschinellen Lernens zu kombinieren. Dies erlaubt die Ableitung von neuartigen Modellen, die für das zugrundeliegende Diskretisierungsverfahren maßgeschneidert werden können und bieten einen deutlichen Genaugkeitsgewinn gegenüber dem bisherigen Stand der Technik.

„Diese Arbeit verknüpft aktuelle Methoden des maschinellen Lernens mit etablierten Verfahren der Simulationstechnik und leistet so einen neuen und sehr wertvollen Beitrag im Bereich der Turbulenzmodellierung.“ Prodekan Prof. Walter Fichter, Fakultät 6

• Institut für Aerodynamik und Gasdynamik, Forschungsgruppe Numerische Methoden

Kontakt: 
Andrea Beck, Institut für Aerodynamik und Gasdynamik, Fakultät 6, Telefon: +49 711 685 60218, E-Mail 

Beck, A., Flad, D., Munz, C. (2019): Deep neural networks for data-driven LES closure models. In: Journal of Computational Physics 398, Elsevier.

Da die Komplexität in modernen Regelungssystemen stetig wächst, wird auch die mathematische Modellierung, welche für herkömmliche Reglerentwurfsverfahren benötigt wird, zunehmend schwieriger und zeitaufwendiger. Zugleich nimmt die Verfügbarkeit von Daten rasant zu, und damit auch der Wunsch nach Regelungsmethoden, die kein Modell und stattdessen nur Daten als Basis benötigen. Obwohl derzeit viele datengetriebene Regelungsmethoden in der Wissenschaft diskutiert werden, können die meisten dieser Methoden keine Stabilität garantieren. Eine Möglichkeit Stabilität für den Regelkreis zu garantieren, ist die Nutzung systemtheoretischer Eigenschaften des Systems. Sofern solche Systemeigenschaften der zu regelnden Strecke bekannt sind, können diese für den Reglerentwurf genutzt werden, um Garantien für den geschlossenen Regelkreis zu geben. In der vorliegenden Veröffentlichung zeigen wir, dass wir derartige Systemeigenschaften aus nur einer Eingangs- und Ausgangstrajektorie eines unbekannten linearen Systems bestimmen und verifizieren können. Dafür entwickeln wir datenbasierte Bedingungen, die einfach und ohne Kenntnis eines mathematischen Modells überprüft werden können.

"Wie in vielen anderen Disziplinen spielen datenbasierte Ansätze auch in der Regelungstechnik eine immer größere Rolle. In der von der Fakultät 7 für den Publikationspreis nominierten Publikation ´One-Shot Verification of Dissipativity Properties From Input–Output Data´ stellen die Autor*innen eine neue, datenbasierte Formulierung von Systemeigenschaften vor, mit der rein datenbasiert Aussagen über die Dissipativität eines Systems getroffen werden können und legen damit einen Grundstein für die Entwicklung stabiler, datengetriebener Regelungsmethoden."
Dekan Prof. Hans-Christian Möhring, Fakultät 7

• Institut für Systemtheorie und Regelungstechnik
• Institut für Systemtheorie und Regelungstechnik, Forschungsgruppe Frank Allgöwer [en]

Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Frank Allgöwer, Institut für Systemtheorie und Regelungstechnik, Fakultät 7, Telefon: +49 711 685 67733, 
E-Mail

Romer, A., Berberich, J., Köhler, J., & Allgöwer, F. (2019). One-shot verification of dissipativity properties from input–output data. IEEE Control Systems Letters, 3(3), 709-714.

Gruppen sind algebraische Strukturen, mit denen Symmetrien in der Mathematik selbst und in den Naturwissenschaften analysiert werden. Die endlichen einfachen Gruppen bilden gewissermaßen die "Atome" dieser Theorie; siehe das "Periodensystem" in der abgebildeten Graphik. Dies ist das monumentale Ergebnis einer kollektiven Anstrengung von hunderten Mathematikern über mehrere Jahrzehnte hinweg! 
So wie man eine komplizierte 3-dimensionale Struktur durch 2-dimensionale Projektionen und Bilder erfassen kann, so wird eine endliche Gruppe kompakt beschrieben durch ihre Charaktertafel, eine gewisse Matrix aus komplexen Zahlen. Zwischen diesen Zahlen gibt es erstaunliche, zum Teil nur vermutete Zusammenhänge, die auf subtile Weise Eigenschaften der Gruppe widerspiegeln. Die vorliegende Arbeit beweist einen solchen, seit 25 Jahren vermuteten Zusammenhang, und liefert die theoretische Grundlage für neue Algorithmen zur Berechnung von Charaktertafeln von einfachen Gruppen vom Lie-Typ. 

„Herr Professor Dr. Meinolf Geck löst eines der grundlegenden Probleme in der Charakter-Theorie endlicher Gruppen, welches seit über 25 Jahre offen war und bislang nur für Spezialfälle behandelt wurde. In der in einem Top-Journal erschienenen Arbeit kombiniert er dazu tiefgründig Methoden verschiedener mathematischer Disziplinen. Dazu herzlichen Glückwunsch!”
Prodekan Prof. Timo Weidl, Fakultät 8

• Institut für Algebra und Zahlentheorie, Lehrstuhl für Algebra

Kontakt:
Prof. Meinolf Geck, Lehrstuhl für Algebra, Fakultät 8, Telefon +49 711 685 65367, E-Mail 

Geck, M. (2020): Green functions and Glauberman degree-divisibility. In: Annals of Math. 192, 229-249.

Das Buch „Volksschauspiele. Genese einer kulturgeschichtlichen Formation“ behandelt die sehr unterschiedlichen Vorstellungen von Volksschauspiel und Volksstück in den vergangenen Jahrhunderten. Vieles ist als Volksschauspiel bezeichnet worden: Bauernstücke und Passionsspiele, patriotisches Nationaltheater und militärisches Propagandastück des späten 18. Jahrhunderts, Legendenspiel, Ritterspektakel und Brauchtumsspiel des 19. Jahrhunderts, aber auch Massenfestspiel, Thingspiel, Agit-Prop- und Arbeitertheater, Antivolksstück und soziales Drama des 20. Jahrhunderts. Das Buch rekonstruiert die Geschichte des Volksschauspiels vom 18. bis zum 21. Jahrhundert und gibt Antwort auf die Fragen, ob und inwiefern Volksschauspiel als dramatische Gattung oder als Chimäre gelten kann. Kommentierte Textbeispiele, die von Johann Gottfried Herder über Hugo von Hofmannsthal bis Thomas Bernhard und Elfriede Jelinek reichen, begleiten die literaturwissenschaftliche und dramenkundliche Studie.

"Das Buch ´Volksschauspiele´ von Toni Bernhart ist nicht nur fachlich exzellent, sondern auch leicht und sehr gut lesbar. Bei wissenschaftlichen Büchern ist das sonst nicht oft der Fall.”
Dekanin Prof. Kerstin Thomas, Fakultät 9

• Institut für Literaturwissenschaft
• Partnerseite „DramaNet – Early Modern European Drama and the Cultural Net“ an der Freien Universität Berlin

Kontakt:
Dr. Toni Bernhart, Institut für Literaturwissenschaft, Fakultät 9, Telefon: +49 711 685 83061, E-Mail

Bernhart, T: Volksschauspiele. Genese einer kulturgeschichtlichen Formation. Reihe: Deutsche Literatur. Studien und Quellen, 31, 2019.

Die PISA-Studie ist die bekannteste und einflussreichste internationale Bildungsvergleichsstudie unserer Zeit. Seit dem PISA-Schock im Jahr 2000 hat sich im Bildungsbereich in Deutschland viel bewegt: Unsere Schulen haben Fortschritte gemacht, müssen sich aber auch neuen Herausforderungen stellen. In unserem Beitrag zu Trendanalysen mit Daten aus PISA regen wir an, die mittlerweile zahlreichen internationalen Studien zum Bildungsmonitoring nicht mehr weitestgehend isoliert zu betrachten und zu interpretieren, sondern das Potenzial einer integrierten Betrachtung mehrere Studien und deren Verbindung mit amtlichen Daten stärker zu nutzen. Dieser Anspruch ist zunächst nicht rein empirisch zu lösen, sondern erfordert ein sachgerechtes theoretisches Rahmenwerk. Nach dem Prinzip „from cases to patterns“ extrapoliert der Beitrag Erkenntnisse aus der Durchführung internationaler Large-Scale Assessments und zeigt auf, wie bisherige methodische Grenzen erweitert werden können.

„Die Publikation stellt einen bedeutenden Beitrag zur Fortentwicklung der empirischen Bildungsforschung dar, weil sie verdeutlicht, wie bislang weitestgehend isoliert interpretierte Erkenntnisse aus den verschiedenen Bildungsmonitoring-Studien in integrative Aussagen überführt werden können. Es wird dadurch Grundlagenarbeit zur umfassenden Weiterentwicklung des Studiendesigns und der Ergebnisinterpretation internationaler Large-Scale Assessments geleistet.”
Dekan Prof. Michael-Jörg Oesterle, Fakultät 10

• Institut für Erziehungswissenschaft
• Professional School of Education Stuttgart-Ludwigsburg 
• Fakultät 10 - Wirtschaft und Sozialwissenschaften

Kontakt:
Prof. Dr. Christine Sälzer, Institut für Erziehungswissenschaft, Fakultät 10, Telefon: +49 711 685-87440, E-Mail 

Sälzer, C., Prenzel, M. (2019): Examining Change over Time in International Large-Scale Assessments: Lessons Learned from PISA. In: Suter, L. E., Smith, E., & Denman, B. D. (Eds.). The SAGE Handbook of Comparative Studies in Education (243-257). London: SAGE Publishing.