Neural Prosthetics

Neural Mass Modeling (NMM) ist eine theoretische Herangehensweise zur Beschreibung der kollektiven Dynamik von Neuronen in einem bestimmten Bereich des Gehirns. Es zielt darauf ab, die Aktivität großer Gruppen von Neuronen durch eine vereinfachte mathematische Modellierung zu erfassen, anstatt die Aktivität einzelner Neuronen zu betrachten. In diesem Rahmen werden häufig dynamische Gleichungen verwendet, um die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen neuronalen Populationen zu beschreiben.

Ein typisches NMM kann als System von Differentialgleichungen formuliert werden, die die zeitliche Veränderung von Variablen wie Feuerrate und Kopplungsstärke darstellen. Diese Modelle erlauben es, verschiedene Phänomene wie Rhythmen, Synchronisation und pathologische Zustände (z. B. Epilepsie) zu untersuchen. Durch die Integration von experimentellen Daten können NMM auch zur Vorhersage von Reaktionen auf verschiedene Stimuli oder zur Analyse von funktionellen Netzwerken im Gehirn eingesetzt werden.

Ein Nichols Chart ist ein grafisches Werkzeug, das in der Regel in der Regelungstechnik verwendet wird, um die Stabilität und das Verhalten von dynamischen Systemen zu analysieren. Es stellt die Bode-Diagramme von offenen Schleifen und die Stabilitätsmargen in einem einzigen Diagramm dar. Die x-Achse zeigt die Frequenz in logarithmischer Skala, während die y-Achse die Verstärkung in dB und die Phase in Grad darstellt. Dies ermöglicht Ingenieuren, die Betriebsbedingungen eines Systems zu visualisieren und zu bestimmen, ob das System stabil ist oder nicht, indem sie die Kurven der offenen Schleifenübertragungsfunktion und der geschlossenen Schleifenübertragungsfunktion vergleichen. Ein weiterer Vorteil des Nichols Charts ist, dass es einfach ist, Reglerdesigns zu testen und zu optimieren, indem man die Position der Kurven im Diagramm anpasst.

Superelastizität ist ein faszinierendes Phänomen, das in Formgedächtnislegierungen (Shape-Memory Alloys, SMA) auftritt. Bei diesen Materialien kann eine erhebliche elastische Verformung auftreten, ohne dass plastische Deformationen entstehen. Dies geschieht durch die reversible Umwandlung zwischen zwei Phasen: der martensitischen und der austenitischen Phase. Wenn eine SMA unter Belastung in die martensitische Phase übergeht, kann es bis zu 8 % Dehnung erreichen, bevor es in die ursprüngliche Form zurückkehrt, sobald die Belastung entfernt wird. Dieses Verhalten wird durch die Temperatur und die Zusammensetzung der Legierung beeinflusst, was es ermöglicht, diese Materialien in einer Vielzahl von Anwendungen, von der Medizintechnik bis zur Luft- und Raumfahrt, einzusetzen. Die Fähigkeit, große Verformungen zu ertragen und dennoch in die ursprüngliche Form zurückzukehren, macht Superelastizität besonders wertvoll in technischen Anwendungen.

Variational Inference (VI) ist ein leistungsfähiges Verfahren zur Approximation von posterioren Verteilungen in probabilistischen Modellen. Anstatt die komplexe, oft analytisch nicht lösbare posterior Verteilung direkt zu berechnen, wird ein einfacherer, parametrischer Verteilungsfamilie $q(\theta; \phi)$ gewählt, die durch die Variablen $\phi$ parametrisiert wird. Das Ziel von VI ist es, die Parameter $\phi$ so zu optimieren, dass die Kullback-Leibler-Divergenz zwischen der gewählten Verteilung und der tatsächlichen posterioren Verteilung minimiert wird:

Durch Minimierung dieser Divergenz wird die Approximation verbessert. VI ist besonders nützlich in großen Datensätzen und komplexen Modellen, wo traditionelle Methoden wie Markov-Chain-Monte-Carlo (MCMC) ineffizient sein können. Zu den gängigen VI-Techniken gehören Mean-Field Approximation, bei der die Unabhängigkeit der Variablen angenommen wird, und Stochastic Variational Inference, das stochastische Optimierung verwendet, um die Eff

Stochastic Gradient Descent (SGD) ist ein Optimierungsalgorithmus, der häufig im Bereich des maschinellen Lernens und der neuronalen Netze eingesetzt wird. Im Gegensatz zum traditionellen Gradientenabstieg, der den gesamten Datensatz verwendet, um den Gradienten der Verlustfunktion zu berechnen, nutzt SGD nur einen einzelnen Datenpunkt oder eine kleine Stichprobe (Mini-Batch) in jedem Schritt. Dies führt zu einer schnelleren und dynamischeren Anpassung der Modellparameter, da die Updates häufiger und mit weniger Rechenaufwand erfolgen.

Der Algorithmus aktualisiert die Parameter $\theta$ eines Modells gemäß der Regel:

Hierbei ist $\eta$ die Lernrate, $\nabla J(\theta; x^{(i)}, y^{(i)})$ der Gradient der Verlustfunktion $J$ für den Datenpunkt $(x^{(i)}, y^{(i)})$. Trotz seiner Vorteile kann SGD jedoch zu einer hohen Varianz in den Updates führen, was es notwendig macht, geeignete Techniken wie Lernratenanpassung oder Momentum zu verwenden, um die Konvergenz zu verbessern.

Die photoelektrochemische Wasserzerlegung ist ein Verfahren, bei dem Lichtenergie verwendet wird, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Dies geschieht in einem speziellen System, das aus einem Photoelektrodenmaterial besteht, das die Fähigkeit hat, Licht zu absorbieren und Elektronen zu erzeugen. Wenn Licht auf die Photoelektrode trifft, wird ein Elektron angeregt, das dann in einen elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Gleichzeitig findet an der Anode eine Oxidation von Wasser statt, die Sauerstoff freisetzt, während an der Kathode eine Reduktion stattfindet, bei der Wasserstoff erzeugt wird. Die allgemeine Reaktion kann durch die Gleichung

beschrieben werden. Diese Technologie hat großes Potenzial für die nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff als sauberem Energieträger, da sie die Nutzung von Sonnenenergie zur Erzeugung von chemischer Energie ermöglicht.