Wie können Sie mithilfe der Wissenschaft ein besseres Lebkuchenhaus bauen?
Darüber hat Miranda Schwacke lange nachgedacht. Der MIT-Absolvent im Division of Supplies Science and Engineering (DMSE) ist Teil von Küchenangelegenheiteneine Gruppe von Doktoranden, die Lebensmittel und Küchengeräte verwenden, um wissenschaftliche Konzepte durch kurze Movies und Outreach-Veranstaltungen zu erklären. Frühere Themen waren unter anderem, warum Schokolade beim Schmelzen „friert“ oder schwer zu verarbeiten ist (Spoiler: Wasser dringt ein) und wie man Isomalt herstellt, das Zuckerglas, durch das Stunt-Darsteller in Actionfilmen springen.
Vor zwei Jahren, als die Gruppe ein Video drehte wie man ein strukturell solides Lebkuchenhaus bautdurchsuchte Schwacke Kochbücher nach einer Variablen, die den größten Unterschied bei den Keksen hervorrufen würde.
„Ich habe darüber gelesen, was die Textur von Keksen bestimmt, und habe dann in meiner Küche mehrere Rezepte ausprobiert, bis ich zwei Lebkuchenrezepte hatte, mit denen ich zufrieden warfare“, sagt Schwacke.
Sie konzentrierte sich auf Butter, die Wasser enthält, das sich bei hohen Backtemperaturen in Dampf verwandelt und so Lufteinschlüsse in Keksen erzeugt. Schwacke sagte voraus, dass eine Verringerung der Buttermenge zu dichteren Lebkuchen führen würde, die stark genug wären, um als Haus zusammenzuhalten.
„Diese Hypothese ist ein Beispiel dafür, wie eine Änderung der Struktur die Eigenschaften und Leistung von Materialien beeinflussen kann“, sagte Schwacke in dem achtminütigen Video.
Dieselbe Neugier auf Materialeigenschaften und -leistung treibt ihre Forschung zu den hohen Energiekosten der Datenverarbeitung, insbesondere für künstliche Intelligenz, an. Schwacke entwickelt neue Materialien und Geräte für neuromorphes Computing, das das Gehirn nachahmt, indem es Informationen am selben Ort verarbeitet und speichert. Sie untersucht elektrochemische Ionensynapsen – winzige Geräte, die „abgestimmt“ werden können, um die Leitfähigkeit anzupassen, ähnlich wie Neuronen, die Verbindungen im Gehirn stärken oder schwächen.
„Wenn man sich insbesondere die KI anschaut – um diese wirklich großen Modelle zu trainieren – verbraucht das viel Energie. Und wenn man das mit der Energiemenge vergleicht, die wir als Menschen verbrauchen, wenn wir Dinge lernen, verbraucht das Gehirn viel weniger Energie“, sagt Schwacke. „Das hat zu der Idee geführt, mehr gehirninspirierte und energieeffizientere Methoden für die Umsetzung von KI zu finden.“
Ihr Berater, Bilge Yildiz, unterstreicht den Punkt: Ein Grund dafür, dass das Gehirn so effizient ist, ist, dass Daten nicht hin und her bewegt werden müssen.
„Im Gehirn verarbeiten wir Informationen über die Verbindungen zwischen unseren Neuronen, Synapsen genannt. Dort findet die Signalübertragung statt. Sie wird verarbeitet, programmiert und auch am selben Ort gespeichert“, sagt Yildiz, Breene M. Kerr (1951), Professorin am Division of Nuclear Science and Engineering und DMSE. Die Geräte von Schwacke zielen darauf ab, diese Effizienz zu reproduzieren.
Wissenschaftliche Wurzeln
Als Tochter einer Meeresbiologin und eines Elektroingenieurs beschäftigte sich Schwacke schon in jungen Jahren mit der Wissenschaft. Die Wissenschaft warfare „immer ein Teil meines Verständnisses der Welt“.
„Ich warfare besessen von Dinosauriern. Als Sort wollte ich Paläontologin werden“, sagt sie. Aber ihre Interessen erweiterten sich. An ihrer Mittelschule in Charleston, South Carolina, nahm sie an einem Roboterwettbewerb der FIRST Lego League teil und baute Roboter, um Aufgaben wie das Schieben oder Ziehen von Objekten zu erledigen. „Meine Eltern, insbesondere mein Vater, engagierten sich intensiv im Schulteam und halfen uns, unseren kleinen Roboter für den Wettbewerb zu entwerfen und zu bauen.“
Ihre Mutter untersuchte unterdessen für die Nationwide Oceanic and Atmospheric Administration, wie sich die Umweltverschmutzung auf Delfinpopulationen auswirkt. Das hatte nachhaltige Wirkung.
„Das warfare ein Beispiel dafür, wie Wissenschaft genutzt werden kann, um die Welt zu verstehen und auch herauszufinden, wie wir sie verbessern können“, sagt Schwacke. „Und das ist es, was ich schon immer mit der Wissenschaft machen wollte.“
Ihr Interesse an Materialwissenschaften kam später im Rahmen ihres Magnetprogramms an der Excessive Faculty zum Vorschein. Dort wurde sie in das interdisziplinäre Fach eingeführt, eine Mischung aus Physik, Chemie und Ingenieurwissenschaften, die die Struktur und Eigenschaften von Materialien untersucht und dieses Wissen nutzt, um neue Materialien zu entwerfen.
„Mir hat immer gefallen, dass es von dieser sehr grundlegenden Wissenschaft, in der wir untersuchen, wie sich Atome ordnen, bis hin zu diesen festen Materialien reicht, mit denen wir in unserem täglichen Leben interagieren – und wie ihnen dadurch ihre Eigenschaften verliehen werden, die wir sehen und mit denen wir spielen können“, sagt Schwacke.
Als Studentin nahm sie an einem Forschungsprogramm mit einer Abschlussarbeit über farbstoffsensibilisierte Solarzellen teil, einer kostengünstigen, leichten Solartechnologie, die Farbstoffmoleküle nutzt, um Licht zu absorbieren und Strom zu erzeugen.
„Was mich angetrieben hat, warfare wirklich das Verständnis dafür, wie wir von Licht zu Energie übergehen können, die wir nutzen können – und auch zu sehen, wie uns dies dabei helfen könnte, mehr erneuerbare Energiequellen zu nutzen“, sagt Schwacke.
Nach der Excessive Faculty zog sie quer durch das Land zum Caltech. „Ich wollte einen völlig neuen Ort ausprobieren“, sagt sie, wo sie Materialwissenschaften studiert hat, darunter nanostrukturierte Materialien, die tausendmal dünner als ein menschliches Haar sind. Sie konzentrierte sich auf Materialeigenschaften und Mikrostruktur – die winzige innere Struktur, die das Verhalten von Materialien bestimmt –, was sie zu elektrochemischen Systemen wie Batterien und Brennstoffzellen führte.
KI-Energieherausforderung
Am MIT beschäftigte sie sich weiterhin mit Energietechnologien. Sie lernte Yildiz während eines Zoom-Conferences in ihrem ersten Jahr an der Graduiertenschule im Herbst 2020 kennen, als der Campus noch unter strengen Covid-19-Protokollen betrieben wurde. Yildiz‘ Labor untersucht, wie sich geladene Atome oder Ionen durch Materialien in Technologien wie Brennstoffzellen, Batterien und Elektrolyseuren bewegen.
Die Forschung des Labors zu gehirninspiriertem Computing beflügelte Schwackes Fantasie, aber sie fühlte sich gleichermaßen von Yildiz‘ Artwork, über Wissenschaft zu sprechen, angezogen.
„Es basierte nicht auf Fachjargon und betonte ein sehr grundlegendes Verständnis dessen, was vor sich ging – dass Ionen hierhin und Elektronen hierher gelangen –, um grundsätzlich zu verstehen, was in dem System passiert“, sagt Schwacke.
Diese Einstellung prägte ihren Forschungsansatz. Ihre frühen Projekte konzentrierten sich auf die Eigenschaften, die diese Geräte benötigen, um intestine zu funktionieren – schneller Betrieb, geringer Energieverbrauch und Kompatibilität mit der Halbleitertechnologie – und auf die Verwendung von Magnesiumionen anstelle von Wasserstoff, der in die Umwelt gelangen und Geräte instabil machen kann.
Ihr aktuelles Projekt, das den Schwerpunkt ihrer Doktorarbeit bildet, konzentriert sich auf das Verständnis, wie der Einbau von Magnesiumionen in Wolframoxid, ein Metalloxid, dessen elektrische Eigenschaften genau eingestellt werden können, seinen elektrischen Widerstand verändert. In diesen Geräten dient Wolframoxid als Kanalschicht, in der der Widerstand die Signalstärke steuert, ähnlich wie Synapsen Signale im Gehirn regulieren.
„Ich versuche genau zu verstehen, wie diese Geräte die Kanalleitfähigkeit verändern“, sagt Schwacke.
Schwackes Forschung wurde 2023 und 2024 mit einem MathWorks-Stipendium der Faculty of Engineering gewürdigt. Das Stipendium unterstützt Doktoranden, die bei ihrer Arbeit Instruments wie MATLAB oder Simulink nutzen; Schwacke nutzte MATLAB für die Analyse und Visualisierung kritischer Daten.
Yildiz beschreibt Schwackes Forschung als einen neuartigen Schritt zur Lösung einer der größten Herausforderungen der KI.
„Das ist Elektrochemie für gehirninspiriertes Rechnen“, sagt Yildiz. „Es ist ein neuer Kontext für die Elektrochemie, aber auch mit Auswirkungen auf die Energie, denn der Energieverbrauch von Computern nimmt unhaltbar zu. Wir müssen neue Wege finden, um Pc mit viel weniger Energie zu betreiben, und das ist eine Möglichkeit, die uns dabei helfen kann, in diese Richtung zu gehen.“
Wie jede Pionierarbeit bringt sie Herausforderungen mit sich, insbesondere bei der Verknüpfung der Konzepte zwischen Elektrochemie und Halbleiterphysik.
„Unsere Gruppe hat einen Hintergrund in der Festkörperchemie, und als wir mit der Untersuchung von Magnesium begannen, hatte noch niemand zuvor Magnesium in Geräten dieser Artwork verwendet“, sagt Schwacke. „Additionally suchten wir in der Literatur zu Magnesiumbatterien nach Inspiration und verschiedenen Materialien und Strategien, die wir verwenden könnten. Als ich damit anfing, lernte ich nicht nur die Sprache und die Normen für einen Bereich, sondern versuchte, sie für zwei Bereiche zu lernen und auch zwischen den beiden zu übersetzen.“
Sie kämpft auch mit einer Herausforderung, die allen Wissenschaftlern bekannt ist: wie man aus chaotischen Daten einen Sinn ergibt.
„Die größte Herausforderung besteht darin, aus meinen Daten die Gewissheit zu ziehen, dass ich sie korrekt interpretiere und verstehe, was sie tatsächlich bedeuten“, sagt Schwacke.
Sie überwindet Hürden, indem sie eng mit Kollegen aus verschiedenen Bereichen zusammenarbeitet, darunter Neurowissenschaften und Elektrotechnik, und manchmal auch, indem sie nur kleine Änderungen an ihren Experimenten vornimmt und beobachtet, was als nächstes passiert.
Gemeinschaft ist wichtig
Schwacke ist nicht nur im Labor aktiv. In „Kitchen Issues“ stellten sie und ihre DMSE-Kollegen Stände auf lokalen Veranstaltungen wie der Cambridge Science Honest und Steam It Up auf, einem außerschulischen Programm mit praktischen Aktivitäten für Kinder.
„Wir haben ‚pHun with Meals‘ gemacht, wobei ‚enjoyable‘ mit einem pH-Wert geschrieben wurde, additionally hatten wir Kohlsaft als pH-Indikator“, sagt Schwacke. „Wir ließen die Kinder den pH-Wert von Zitronensaft, Essig und Spülmittel testen und sie hatten viel Spaß beim Mischen der verschiedenen Flüssigkeiten und beim Betrachten der verschiedenen Farben.“
Sie fungierte außerdem als soziale Vorsitzende und Schatzmeisterin der Graduiertenstudentengruppe der DMSE, dem Graduate Supplies Council. Als Studentin am Caltech leitete sie Workshops zu Naturwissenschaften und Technologie für Robogals, eine von Studenten geführte Gruppe, die junge Frauen dazu ermutigt, eine Karriere in der Wissenschaft anzustreben, und unterstützte Studenten bei der Bewerbung für die Summer season Undergraduate Analysis Fellowships der Schule.
Für Schwacke haben diese Erfahrungen ihre Fähigkeit geschärft, Wissenschaft einem unterschiedlichen Publikum zu erklären, eine Fähigkeit, die sie für entscheidend hält, egal ob sie auf einer Kindermesse oder auf einer Forschungskonferenz referiert.
„Ich denke immer: Wo fängt mein Publikum an und was muss ich erklären, bevor ich mich auf das einlasse, was ich tue, damit alles für sie einen Sinn ergibt?“ sagt sie.
Schwacke sieht die Fähigkeit zur Kommunikation als zentral für den Aufbau einer Gemeinschaft an, die sie als wichtigen Teil der Forschung ansieht. „Es hilft bei der Verbreitung von Ideen. Es hilft immer, eine neue Perspektive auf das zu bekommen, woran man gerade arbeitet“, sagt sie. „Ich denke auch, dass es uns während unserer Doktorarbeit geistig gesund hält.“
Für Yildiz ist Schwackes gesellschaftliches Engagement ein wichtiger Teil ihres Lebenslaufs. „Sie führt all diese Aktivitäten durch, um die breitere Gemeinschaft zu motivieren, Forschung zu betreiben, sich für Wissenschaft zu interessieren, Wissenschaft und Technologie zu verfolgen, aber diese Fähigkeit wird ihr auch dabei helfen, in ihrer eigenen Forschung und ihren akademischen Bemühungen voranzukommen.“
Nach ihrer Promotion möchte Schwacke diese Kommunikationsfähigkeit in die Wissenschaft übertragen, wo sie die nächste Technology von Wissenschaftlern und Ingenieuren inspirieren möchte. Yildiz hat keinen Zweifel daran, dass sie erfolgreich sein wird.
„Ich denke, sie passt perfekt“, sagt Yildiz. „Sie ist brillant, aber Brillanz allein reicht nicht aus. Sie ist beharrlich und belastbar. Das braucht man obendrein wirklich.“