Science Slam @Elbhangfest in Dresden, 2018/06/23

This is the guiding draft for a Science Slam that I contributed at the Elbhangfest 2018 in Dresden.
In the beautiful scenery of Pillnitz Palace at the riverside of the Elbe, the stage hosted great contributions from the Arts, Music and Science in a thoughtful mix.

(deutsche Fassung weiter unten)

Simultaneity. On synchronization in modern electronic clocks.

I would like to start with an experiment. Please applaud now, as if you all wanted an encore from your favorite band.

[wait until the audience has found a common rhythm of clapping their hands]

As you probably heard, it took a while until you had found a common rhythm. This rhythm was self-organized, as each of you adjusted the repetition speed of clapping according to that of your neighbors. In other situation, e.g., in large soccer arenas synchronizing is much harder. This is because of the relatively large distances and the delay with with each person perceives the clapping of distant fans.

[short pause]

Now imagine, hundreds or thousands of elements, e.g., electronic clocks need to be coordinated in time. And those do not “clap” just once, but tick many billions of times in a second. Currently, this coordination is achieved by a precise reference clock that dictates its time to all other clocks. That means: a conductor, placed well visible in the middle of the arena, provides the rhythm for a billion claps per second to the audience. That of course impossible thing for the conductor, also reaches its limits in electronic systems.

[short pause]

Looking for alternatives, we were inspired by work from colleagues at the Max Planck Institute for Molecular Cell Biology and Genetics. They study the astonishing periodicity of the formation of the vertebrae during embryonic development. The rhythm necessary for that pattern formation results tissue-wide by the interactions of hundreds of cellular clocks. That also works in the presence of large time-delays in the intercellular communication. That means, similarly to how you as a group found a common rhythm, the cells self-organize their mutual states to be the same.

[short pause]

We formalized this approach to coordination without a dictating conductor in an abstract mathematical model. That helped us to understand how to transfer the concept of self-organized synchronization in the presence of time-delayed communication to electronic systems. Experiments in prototype systems show promising results and great agreement with the model. Our goal is to apply this approach in modern technologies, such as e.g. indoor navigation and robotics. Moreover, we aim to enable new technologies that could not be realized with the hierarchal approach.

Thank you for your attention.

 

Was bedeutet gleichzeitig? Über die Synchronisation moderner Uhren.

Ich möchte mit einem Experiment beginnen. Bitte applaudieren Sie jetzt alle so, wie sie es tun um eine Zugabe bei einem Konzert Ihrer Lieblingsband zu bekommen.

[warten bis das Publikum einen gemeinsamen Rhythmus gefunden hat]

Wie Sie hörten dauerte es eine Weile bis Sie einen gemeinsamen Rhythmus gefunden hatten. Diesen haben Sie als Gruppe selbst organisiert indem Sie ihr Klatschen an das Ihrer Nachbarn angepasst haben. In anderen Situationen, z.B. im (Fussball-)Stadion wäre das schwieriger. Grund dafür sind die relativ großen Entfernungen und die Verzögerung mit der Sie das Klatschen von weit entfernten Besuchern wahrnehmen.

[kurze Pause]

Nun stellen Sie sich vor, es müssen hunderte oder tausende von Einheiten, z.B. elektronischen Uhren zeitlich aufeinander abgestimmt werden. Und diese “klatschen” nicht wie wir nur einmal, sondern ticken 1 Millarde mal pro Sekunde. Bisher wird diese Koordination durch einen präzisen Taktgeber der allen anderen Uhren die Zeit vorgibt realisiert.
Heißt: in der Stadionmitte steht ein Dirigent und gibt den Milliarden-takt für alle gut sichtbar an. Was für unseren Dirigenten unmöglich ist führt auch die elektronischen Systeme an die Grenzen des Machbaren.

[kurze Pause]

Auf der Suche nach Lösungen, die diese Hürden überwinden können, haben wir uns von unseren Kollegen am Max Planck Institut für molekulare Zell- biologie und Genetik inspirieren lassen. Sie beschäftigen sich mit der zeitlich streng koordinierten Formation der Wirbelkörper während der embryonalen Entwicklung. Der dafür notwendige Rhythmus ergibt sich gewebeübergreifend aus dem Zusammenspiel hunderter von individuellen zellulären Uhren. Das funktioniert auch dann, wenn die Kommunikation einer großen Zeitverzögerung unterliegt.
Das bedeutet also, in ähnlicher Weise wie Sie zu Beginn einen gemein-samen Rhythmus gefunden haben, selbst organisieren die beteiligten Zellen ihre Zustände.

[kurze Pause]

Diesen Ansatz der Koordination ohne taktvorgebenden Dirigenten haben wir in einem abstrakten mathematischen Modell formuliert. Damit haben wir verstanden wie wir das Konzept der selbstorganisierten Synchronisation auf verteilte elektronische Systeme übertragen können. Experimente an Prototypen zeigen dabei vielversprechende Resultate. Unser Ziel ist es, diese Idee in modernen technologischen Anwendungen, wie z.B. der Robotik und der Innenraum-Navigation, zu etablieren und neue Anwendungen zu ermöglichen, die mit dem aktuellen Stand der Technik nicht umzusetzen sind.

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit.

http://www.elbhangfest.de/

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