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Neue Methode für komplexe Systeme in Biologie und Technik

Stabile Synchronisation Neue Methode für komplexe Systeme in Biologie und Technik

Menschen, Glühwürmchen oder Generatoren - zur Abstimmung der Einheiten verschiedener Systeme ist Interaktion notwendig. Das haben Wissenschaftler vom Max Planck Institut für Dynamik und Selbstorganisation herausgefunden, die die optimale Synchronisation komplexer Systeme untersuchen.

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Quelle: dpa (Symbolfoto)

Göttingen. Synchronisation tritt in vielen sozialen, biologischen und technischen Systemen auf und spielt dort eine große Rolle. Wollen Menschen einen Kompromiss finden, erfordert das ein "Synchronisieren" verschiedener Meinungen. Genauso koordinieren Glühwürmchen ihr Leuchten. Auch müssen Generatoren in Stromnetzen für den stabilen Betrieb dieser synchron laufen. In vielen komplexen Systemen kann es allerdings schwierig sein, die einzelnen Einheiten zu synchronisieren.

Um dieses Problem zu beheben, haben Grundlagenforscher des Göttinger Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation mit Forschern aus Indien eine neue Methode erdacht, entwickelt und getestet. Anstatt die einzelnen Einheiten dauerhaft zu koppeln, erlaubt die neue Göttinger Methode Interaktion nur zeitweise. Dadurch lassen sich zumindest in Simulationen viele Systeme besser synchronisieren.

Zur Abstimmung verschiedener Einheiten, seien es einzelne Menschen, Glühwürmchen oder Generatoren, ist offensichtlich Interaktion nötig. Die Wissenschaftler kamen aber auf die Idee, die Interaktion einzuschränken. Denn in vielen Fällen ist der Effekt der Wechselwirkung abhängig vom Zustand des Systems.

"Anstatt die einzelnen Einheiten dauerhaft zu koppeln, lassen wir Interaktion nur zeitweise zu", erklärt Prof. Marc Timme, Leiter der Forschungsgruppe Netzwerk Dynamik. „Bildlich gesprochen: Glühwürmchen würden ihren Rhythmus nicht dauerhaft anpassen, sondern nur in dem Moment, in dem sie das Blinken eines anderen Glühwürmchens beobachten.“

Um den Effekt dieses Entkoppelns genau zu beschreiben, untersuchten die Forscher die neue Methode in verschiedenen Systemen mit Hilfe numerischer Simulationen. "Unsere Ergebnisse zeigen, dass Synchronisation dadurch stabiler sein kann und deshalb in vielen Systemen häufiger möglich ist", unterstreicht Malte Schröder, Promotionsstudent bei Timme. Insbesondere können durch die Methode viele Systeme für beliebig starke Wechselwirkungen synchronisiert werden, auch wenn das mit normaler, zeitlich durchgehender Kopplung nicht der Fall ist.

Anhand dieser Erkenntnisse ist es also theoretisch möglich, bestimmte Systeme besser und stabiler zu synchronisieren. Die Forscher denken dabei an selbst organisierte Kommunikationsnetzwerke, kabellose Sensornetzwerke oder möglicherweise auch künstlich erzeugte biologische Systeme wie gekoppelte Herzzellen.

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