Grenzen überwinden

Bei den Fakultäten für Elektrotechnik liegt das MIT laut Angaben auf Platz eins US-Nachrichten und Weltbericht. Es ist ein passender Erfolg für die Schule, die als erste in den Vereinigten Staaten Elektrotechnik-Unterricht einführte und seither die Geburtsstätte von Entwicklungen wie Stroboskoplichtern und Rivest, Shamir und Adleman- oder RSA-Public-Key-Verschlüsselung ist, der weltweit am weitesten verbreiteten durchgängiges Verschlüsselungssystem.

Heute ist der Fachbereich Elektrotechnik und Informatik ein Gigant von rund 120 Dozenten und 2.000 Studierenden. Sie arbeiten und studieren im Schatten von Giganten wie Vannevar Bush, der die erste nützliche Computermaschine entwickelte, und Marvin Minsky, einem Pionier der künstlichen Intelligenz, der einige der ersten mechanischen Zeiger baute.

Aber die Abteilung wird nie von ihrer Vergangenheit überschattet oder von ihrem gegenwärtigen Ruf überwältigt. Anlässlich seines 100-jährigen Bestehens in diesem Monat blickt das Institut weiterhin auf eine Zukunft der Überschreitung von Grenzen in Forschung und Lehre - von der disziplinübergreifenden Arbeit bis hin zum Einsatz von Technologie zur Überarbeitung der Art und Weise, wie Lehrveranstaltungen unterrichtet werden.



Lebensgebundene Forschung

Wie der Rest des Instituts ist auch der Kurs VI von interdisziplinärer Forschung überflutet. Die prominentesten Interaktionen betreffen die Arbeit an biologischen Projekten.

Dieses Jahrhundert ist das Jahrhundert der Biologie, so wie das vergangene Jahrhundert das Jahrhundert der Physik war, sagt der außerordentliche Professor Rahul Sarpeshkar, dessen Forschungsgruppe an einer Reihe von auf Biologie ausgerichteten Projekten arbeitet. Eine davon ist die Entwicklung eines Prozessors für ein bionisches Ohr. Cochlea-Implantate können direkt mit dem Hörnerv verbunden werden, wodurch das Hören für schwerhörige Menschen mit noch intaktem Hörnerv Wirklichkeit wird. Sarpeshkars Gruppe entwickelt einen analogen Prozessor mit sehr geringem Stromverbrauch, um Tonsignale zu interpretieren. Aufgrund seines extrem geringen Stromverbrauchs wird es jahrzehntelang funktionieren, wenn es einmal in das Ohr einer Person implantiert wurde. Und da das Silikonimplantat die natürliche Cochlea-Struktur des Ohrs nachahmt, kann es Geräusche inmitten irrelevanter Hintergrundgeräusche besser als herkömmliche Hörgeräte unterscheiden. Laut Sarpeshkar wird sein Prozessor innerhalb der nächsten ein oder zwei Jahre einsatzbereit sein, und Sie werden nicht einmal wissen, dass die Person taub ist.

Gleichzeitig orientiert sich der Konzern bei der Entwicklung anderer Systeme an der Natur. Sarpeshkar zum Beispiel stützt sich auf die neuronale Aktivität des Gehirns und die Tendenzen der linken und rechten Gehirnhälfte, um seine Arbeit an einem Hybridcomputer zu unterstützen, einer Maschine, die sowohl analoge als auch digitale Prozesse zum Rechnen verwendet. Auch um Bewegungschips zu entwickeln, die in einigen Jahren für Zielverfolgung, Sicherheitskameras und Robotik verwendet werden könnten, nimmt Sarpeshkar Unterricht bei Stubenfliegen, deren Augen von Natur aus sehr bewegungsempfindlich sind.

Dies ist jedoch nicht das einzige mit der Biologie verbundene Projekt, das Wirkung zeigt. Professor Eric Grimson, stellvertretender Direktor des Labors für künstliche Intelligenz, hat zusammen mit Ärzten des Bostoner Brigham and Women’s Hospital an bildgestützten chirurgischen Verfahren gearbeitet. Seine Computersysteme verwenden die präoperativen Scans eines Patienten, um ein präzises grafisches Modell des Operationsgebiets zu erstellen. Vor der Operation untersuchen Ärzte das Modell, um die am wenigsten invasive Methode zur Erfüllung ihrer Aufgaben zu planen. Im Operationssaal projizieren sie das grafische Modell zur Orientierung auf den Körper des Patienten. Außerdem verfolgen Grimsons Systeme während der gesamten Operation die chirurgischen Instrumente, zeigen den Ärzten die genaue Position der Spitze jedes Instruments und ermöglichen es ihnen, sie sehr genau zu den Schlüsselstrukturen zu führen, die sie erreichen möchten.

Der Grund für solche Chirurgen ist normalerweise, dass sie die Operationszeiten um die Hälfte reduzieren, sagt Grimson. Damit können die Chirurgen Operationen durchführen, die sie sonst als inoperabel behandeln würden.

Grimsons System wird nur im Brigham and Women's Hospital verwendet, aber er stellt fest, dass ähnliche, wenn auch weniger ausgereifte Systeme auf dem Markt erscheinen. Er rechnet damit, dass in zwei bis drei Jahren, vorbehaltlich der staatlichen Genehmigung, solche Systeme weit verbreitet sein werden.

Weitere bemerkenswerte Projekte sind die Forschung von Professor David Gifford und Associate Professor Tommi Jaakkola. Ihre Arbeit verbindet die Informatik mit der Erforschung des menschlichen Genoms. Außerdem hat Professor Jim Fujimoto ein neues Forschungsgebiet - die optische Kohärenztomographie - entwickelt, das sich auf diagnostische Untersuchungen der Netzhaut konzentriert. Und Assistenzprofessor Vladimir Bulovic, der Geräte entwickelt, die organische Materialien als Halbleiter verwenden, hat dazu beigetragen, organisch betriebene Kristalle herzustellen, die in einer Vielzahl von Farben leuchten. Diese Kristalle könnten verwendet werden, um Computermonitore herzustellen, die viel weniger Strom verbrauchen als heutige Modelle.

Die Elektrotechnik als eines der ausgereiftesten Ingenieursgebiete hat viel zur Biologie beizutragen, was die Denkweise und Herangehensweise an Probleme angeht, sagt Assistenzprofessor Joel Voldman, der zusammen mit Assistenzprofessor Jongyoon Han an biologischer mikroelektronischer Mechanik arbeitet Systeme. Voldman hat eine elektronische Methode entwickelt, um Zellen an Ort und Stelle zu halten, damit sie untersucht werden können.

Am Ende fasst Abteilungsleiter John Guttag die wachsende Ausrichtung seiner Abteilung zusammen: Betrachtet man die Abteilung heute, so ist sie in Biologie und Medizin so viel wie nie zuvor involviert. wir werden uns in diese richtung weiterentwickeln.

Funktionieren Enchroma-Brillen?

Tech-Linked Teaching

Die starke Ausrichtung der Abteilung auf die Lehre von Studenten ist ein Merkmal, das sie von anderen Institutionen unterscheidet, sagt Professor Jeffrey Shapiro, Direktor des Research Laboratory of Electronics. Und heutzutage werden Fakultätsmitglieder für ihren besonderen Einsatz von Technologie wahrgenommen, um ihnen zu helfen, effektiver zu unterrichten.

Grimson und sein Kollege Professor Tomas Lozano-Perez experimentieren seit einigen Jahren mit einem Online-Tutor für drei Kurse. Ihre Schüler können Problemsätze vervollständigen und ihre Antworten über das Web für sofortiges Feedback einreichen. Der Online-Tutor listet die fehlerhaften Probleme auf und gibt Hinweise zu deren Behebung. Die Schüler können die Aufgaben immer wieder bearbeiten und ihre Sätze so oft sie möchten erneut einreichen. Dass aus den Problemsets eher Lern- als Benotungschancen werden, finde ich gut, und das scheinen die Studierenden auch zu schätzen, sagt Lozano-Perez, der den Tutor in den kommenden Monaten in weiteren Kursen einsetzen will.

Das Paar experimentierte auch in 6.001, Struktur und Interpretation von Computerproblemen, mit einer anderen Idee-Online-Vorlesung. In der Vergangenheit wurden die Klassen mit 200 bis 400 Studierenden zum Teil in großen Vorlesungen unterrichtet. Am Ende der Amtszeit, so Grimson, war die Teilnahme normalerweise auf etwa 60 Prozent gesunken. Grimson und Lozano-Perez haben die meisten Live-Vortragssitzungen eliminiert und die Vortragsreihe online verschoben. Jetzt können sich die Schüler in Ruhe mit Audiokommentaren versehene PowerPoint-Präsentationen ansehen, und die meisten tun dies mehr als einmal. Experimentelle Studien, die wir durchgeführt haben, zeigen, dass die Studierenden den Stoff mit Online-Vorlesungen besser oder zumindest genauso gut lernen als mit entsprechenden Live-Vorträgen, sagt Lozano-Perez. Beide Professoren weisen jedoch darauf hin, dass Online-Vorlesungen möglicherweise nicht die beste Option für andere Kurse sind.

Die Abteilung hat einen anderen neuartigen Ansatz verfolgt: die Erweiterung der Labormöglichkeiten auf das Internet. 1998 entwickelte Professor Jesus del Alamo das Microelectronics WebLab, das es Studenten eines Bachelor- und eines Masterstudiengangs sowie Studenten der Singapore-MIT Alliance ermöglicht, Laborexperimente aus der Ferne durchzuführen. Die Studierenden führen Messungen online durch, indem sie Laborgeräte über das Internet steuern.

Ich wollte, dass meine Schüler erfahren, wie Transistoren und andere mikroelektronische Geräte tatsächlich funktionieren, und dies mit den Modellen und dem Verhalten vergleichen, die ich im Unterricht unterrichte“, sagt del Alamo ist teuer, der Platz ist begrenzt und die Labore sind schwer zu verwalten. Inzwischen haben jedoch mehr als 800 Studenten und Doktoranden diese Erfahrung durch WebLab gemacht.

Als nächstes plant del Alamo, die Erfahrung zu verbessern, indem Mechanismen für die Zusammenarbeit über große Entfernungen und für die Durchführung von Simulationen hinzugefügt werden. Del Alamo sagt außerdem, dass eine neue Systemarchitektur die Wartung des Labors erleichtern wird.

Links innerhalb

Wenn es darum geht, die besten Studenten zu gewinnen, ist seine Abteilung laut Guttag einzigartig positioniert, um wettbewerbsfähig zu sein. Elektrotechnik und Informatik seien heute sehr unterschiedliche Fachgebiete, und wir seien eine der wenigen Fakultäten, die in vielen Aspekten dieser Bereiche eine kritische Masse mitbringen können, sagt er. Gleichzeitig ist das Interesse der Studierenden stärker geworden, sowohl Elektrotechnik als auch Informatik zu studieren, anstatt das eine oder das andere. Die Einschreibung in den Kurs VI-2, die Strecke, die diese Disziplinen kombiniert, ist in den letzten Jahren gestiegen. Inzwischen ist die Zahl der Doktoranden an der Fakultät explodiert, in diesem Jahr wurden fast 3.000 Bewerbungen für das Promotionsprogramm eingereicht.

Mit dem Umzug ins Stata Center im Herbst dieses Jahres wird die Interaktion zwischen den beiden Seiten der Abteilung zunehmen. Erstmals in unserer Geschichte werden Elektrotechnik und Informatik geografisch grundsätzlich zusammengehören, sagt Guttag. Ich denke, es wird einen sehr großen Einfluss darauf haben, wie wir lehren und wie wir forschen, wenn wir alle physisch nah beieinander sind. Darüber hinaus befinden sich in Kürze das Labor für Informatik, das Labor für Künstliche Intelligenz und das Labor für Informations- und Entscheidungssysteme, die physisch vom Rest des Fachbereichs getrennt waren, in unmittelbarer Nähe des wissenschaftlichen Fachbereichs, der die meisten Materialien versorgt ihre Forscher.

Victor Zue, Direktor des Labors für Informatik, sagt, der Umzug ins Stata Center sei enorm wichtig. In Bezug auf die Interaktion mit dem Rest des Campus macht die Nähe den Unterschied. Der Umzug in diesen Teil der Welt wird sich definitiv auf eine bessere Zusammenarbeit mit der elektrotechnischen Seite der Abteilung auswirken.

Geplant sei auch, das Labor für Informatik und das Künstliche Intelligenz-Labor zusammenzuführen, die bereits an einem erheblichen Forschungsvolumen zusammenarbeiten, sagt Zue. Die Fusion und anschließende Umbenennung des neuen, kombinierten Labors soll Mitte des Jahres erfolgen.

Durch eine verstärkte Zusammenarbeit sowohl innerhalb des Fachbereichs als auch mit anderen Disziplinen des Instituts sollen die Elektrotechnik und die Informatik auch weiterhin das Tempo in Forschung und Lehre vorgeben. Am 23. Mai feiert das Departement im Rahmen einer 100-Jahr-Feier sowohl seine Vergangenheit als auch seine aktuellen Errungenschaften. Die Veranstaltung umfasst ein ganztägiges Symposium im Kresge Auditorium, das Bildungs- und Forschungsinitiativen hervorhebt. Es folgt ein Empfang und ein Galadinner im Park Plaza Hotel.

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