print the brain – gedruckte neuromorphe 3D Strukturen (PTB)

Problemstellung
Der Wandel zur Informationsgesellschaft basierte in den letzten Jahrzehnten auf einer sehr rasanten Entwicklung der Elektronik-Hardware, die immer komplexere Softwarelösungen ermöglichte. Allerdings stößt diese traditionelle Entwicklung zunehmend an ihre Grenzen. Neben verschiedenen weiteren Ansätzen, wie etwa Quantencomputern, wird seit längerem unter dem Stichwort neuromorphe Computer diskutiert, das biologische Gehirn als Vorbild für die nächste Technologiegeneration der Informationsverarbeitung heranzuziehen. Dieser spannende Ansatz basiert bislang auf der klassischen Elektronik, die mit den nur zweidimensionalen, binären Siliziumchips von dem biologischen Vorbild Gehirn weit entfernt ist. Mit der noch recht jungen Technologie der gedruckten Elektronik ergeben sich grundsätzlich neue Möglichkeiten für eine tatsächlich neuromorphe Hardware. Hierbei werden elektronische Bauteile mit funktionalen Drucktinten, etwa aus organischen Halbleitern, auf flexible Folien oder Papier gedruckt. Diese Folienschaltungen können nun in tausenden Schichten mit Druckereitechniken aufeinandergelegt und zusammenlaminiert werden, so dass ein 3D-verschalteter Block entsteht.

Projektziel
Nach biologischem Vorbild können damit sehr viele dreidimensional vernetzte, neuronenartige Verbindungen zwischen den Schaltzentren realisiert werden. So wird seitens der Hardware eine nach dem biologischen Vorbild des Gehirns vergleichbare Informationsverarbeitung möglich. Mit dem Forschungsprojekt print the brain sollen die fertigungstechnischen Möglichkeiten für diese neuromorphe Informationsverarbeitung aufgezeigt und prototypisch umgesetzt werden.

Vorgehensweise
Hierfür wird der allgemeine biologisch-neurowissenschaftliche Erkenntnisstand zusammengetragen. Daraus können die identifizierten Verbindungsfunktionen des biologischen Gehirns extrahiert und in eine realisierbare technische Analogie überführt werden. Nun sind verschiedene potenzielle elektronische Elemente, wie beispielsweise Dioden und Transistoren, auf ihre Eignung hin in verschiedenen Modellierungsansätzen zu testen. Nach den Untersuchungen der Durchkontaktierung und der Laminierung werden Lösungsstrategien für Viellagensysteme entwickelt und getestet. So sollen weitestgehend mit dem etablierten Rolle-zu-Rolle-Verfahren aus zweidimensional gedruckter Elektronik durch zu erarbeitende Falt- und Klebemechanismen die finale Fertigung des dreidimensionalen Demonstrators erfolgen.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Bei erfolgreicher Umsetzung wird die Möglichkeit einer leistungsfähigen und einfach umzusetzenden produzierbaren Elektronikgeneration greifbar, die besonders für den Wirtschaftsstandort Deutschland große Chancen eröffnen kann. Traditionell in Deutschland angesiedelte starke Branchen, wie das Drucken und der Druckmaschinenbau sowie die Schaltungselektronik, sollen auf der Basis der in dem Projekt gezeigten, biologisch inspirierten Möglichkeiten neue technologische Lösungen für zukünftige, flexible und leistungsfähige Elektronikanwendungen entwickeln können.

• Technische Universität Chemnitz