Die Luft, die wir atmen, das Wasser, das wir trinken, unsere Nahrung und andere Ressourcen resultieren aus Interaktionen zwischen der Geo- und der Biosphäre. Diese Wechselwirkungen zu verstehen ist daher unverzichtbar für das Überleben und Wohl der Menschheit, die durch den anthropogenen Wandel gefährdet sind. Der gegenwärtige anthropogene Einfluss ist beispiellos, aber die zugrundeliegenden Naturgesetze sind universell gültig.

Bottom-up Synthetic Immunology: Neue Wege zur Bekämpfung von Infektionen und Krebs. Infektionskrankheiten wie AIDS und Malaria sowie schwer behandelbare Krebsarten wie Pankreas- und Gehirntumore bleiben eine globale Gesundheitsbedrohung. Trotz intensiver Forschung fehlen oft wirksame Präventions- oder Behandlungsmöglichkeiten. Gemeinsam ist diesen Krankheiten, dass sie den Immunmechanismen entgehen, während gezielte Eingriffe in Immunzell-Gewebe-Wechselwirkungen bislang kaum möglich sind und experimentelle Modelle dafür erst entstehen.

Der Exzellenzcluster STRUKTUREN untersucht, wie Struktur, kollektive Phänomene und Komplexität aus den Grundgesetzen der Physik entstehen. Die dabei verwendeten Konzepte und Methoden sind auch zentral, um relevante Strukturen in großen Datenmengen zu finden und neuartige analoge Rechner zu entwickeln.

Seit 2019 entwickeln Forschende des Exzellenzclusters "Daten-Integrierte Simulationswissenschaft (SimTech)" an der Universität Stuttgart eine neue Klasse von simulations- und datengesteuerten Ansätzen, die die Anwendbarkeit und Genauigkeit von Simulationen erhöhen und die Art und Weise verändern, wie wir Wissenschaft und Technik betreiben.

Die Energiewende als unaufschiebbare Transformation unserer globalen Wirtschaft steht vor Herausforderungen wie begrenzter Rohstoffverfügbarkeit, Niedergang der europäischen Bergbauindustrie, geopolitischer Gefahren und Preisschwankungen. Dies betrifft besonders die elektrochemische Energiespeicherung (EES) als Schlüsseltechnologie für erneuerbare Energien. Alternative EES-Technologien erfordern eine koordinierte Grundlagenforschung, die auf leistungsstarke, sichere und nachhaltige Lösungen abzielt. Diese Technologien müssen auf reichlich verfügbaren Rohstoffen beruhen, die Energiesicherheit und -souveränität verbessern und eine resiliente und nachhaltige Energiezukunft ermöglichen.

Maschinelles Lernen verändert die Wissenschaft tiefgreifender, als wir es noch vor wenigen Jahren erwartet hätten. Zwar wurden Methoden des maschinellen Lernens bereits erfolgreich für die Lösung einzelner wissenschaftlicher Probleme eingesetzt, heute scheinen aber noch weitreichendere Möglichkeiten greifbar. “Foundation models”, die mit großen Datensätzen trainiert wurden, stellen Repräsentationen der Daten bereit, die sich für ein breites Aufgabenspektrum eignen und haben die Sprachverarbeitung bereits revolutioniert. “Diffusion models” ermöglichen es, Daten aus komplexen Wahrscheinlichkeitsverteilungen zu erzeugen, und mit modernen Programmierparadigmen können wissenschaftliche Theorien als Teil von Analyseworkflows implementiert werden. Doch die Methoden des maschinellen Lernens haben offensichtliche Mängel mit Blick auf ihre Zuverlässigkeit, Robustheit und Interpretierbarkeit.

Die zentrale Vision des livMatS-Clusters ist es, das Beste aus zwei Welten, der biologischen und der technischen Welt, miteinander zu verbinden und adaptive, energieautonome Materialsysteme mit lebensähnlichen Funktionen zu entwickeln.

Der Exzellenzcluster Integratives computerbasiertes Planen und Bauen für eine transformative Architektur (IntCDC) hat das Ziel, die methodischen Grundlagen für die dringend notwendige, zukunftsfähige und klimapositive Transformation des Planens und Bauens zu schaffen. Durch interdisziplinäre und integrative Forschung soll das volle Potenzial digitaler Technologien genutzt werden, um die gravierenden ökologischen, ökonomischen und sozialen Herausforderungen des Bausektors zu bewältigen. Hierfür bündelt IntCDC die international anerkannten Kompetenzen der Universität Stuttgart, des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme und von Bauhaus Erde in den Bereichen Architektur, Bauingenieurwesen, Bauphysik und Geodäsie, Fertigungs- und Systemtechnik, Informatik und Robotik sowie Sozial-, Geistes- und Wirtschaftswissenschaften.

Der Exzellenzcluster „The Politics of Inequality“ untersucht, wie politische Prozesse soziale Ungleichheiten erzeugen, verstärken oder abbauen. Im Zusammenspiel von Wahrnehmung, Beteiligung und Politik erforschen wir die Dynamik von Ungleichheit in Demokratien und Nicht-Demokratien weltweit.

Trotz intensiver Forschung steigt die Zahl an Krebserkrankungen und -todesfällen deutlich. Durch Krebsfrüherkennung können einige Tumore früher erkannt und kurativ behandelt werden, aber insgesamt werden immer noch 25-50% aller soliden Tumore in einem fortgeschrittenen, oft metastasierten Stadium diagnostiziert. Diese sind trotz einer wachsenden Zahl neuer Therapeutika meist unheilbar. Solche Tumorerkrankungen stehen im Mittelpunkt des iFIT-Exzellenzclusters.

Das 21. Jahrhundert hat die Erforschung der menschlichen Ursprünge revolutioniert. Rasche methodische Fortschritte ermöglichten Entdeckungen, die den Status quo auf den Kopf gestellt haben. Wir wissen jetzt, dass mehrere Homininenarten, die zusammen eine bisher unvorstellbare Vielfalt menschlicher Vorfahren repräsentieren, entgegen der vorherrschenden Definition von Arten nicht nur zeitlich und räumlich koexistierten, sondern sich auch wiederholt gekreuzt haben.

Pflanzen sind die Grundlage des terrestrischen Lebens. Um ihr Überleben zu sichern, haben sie wirksame und vielseitige Strategien entwickelt, um Veränderungen in ihrer Umwelt zu meistern, besonders durch Gewährleistung von Robustheit, d. h. die Aufrechterhaltung von Funktionen trotz Störungen. Angesichts des zunehmenden anthropogenen Drucks auf unseren Planeten ist das Verständnis der Mechanismen und Grenzen pflanzlicher Robustheit von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung wirksamer und wissensbasierter Strategien zur Erhaltung pflanzlicher Ökosysteme und zur Sicherung der landwirtschaftlichen Produktivität.

Wälder bedecken ca. 30% der globalen Landfläche und erbringen viele essenzielle Ökosystemleistungen (ÖSL), wie die Produktion erneuerbarer Ressourcen, Abmilderung des Klimawandels, Wasserrückhaltung, Förderung der menschlichen Gesundheit und Schutz der biologischen Vielfalt. Angesichts des raschen Klimawandels, neuartiger Störungen und der Neuansiedlung und des Verlusts von Arten entwickeln sich viele Wälder zu neuartigen Ökosystemen, die in der Evolutionsgeschichte keine Entsprechung haben.

Das Verhalten von Kollektiven ist fesselnd und faszinierend zugleich. Aber wie genau kommt es zu den komplexen Choreographien von Vogelschwärmen, der Arbeitsteilung in Insektenstaaten oder der Entstehung menschlicher Trends und Moden?

Die menschliche Gesundheit hängt entscheidend von Mikroorganismen ab, die die Mikrobiome unserer Körperoberflächen bilden. Im gesunden Zustand unterstützen diese kommensalen Mikroorganismen wichtige physiologische Körperfunktionen. Bakterielle Krankheitserreger verursachen hingegen jährlich Millionen Todesfälle, mit steigender Tendenz, aufgrund von Antibiotikaresistenzen und unzureichenden industriellen Antibiotika-Entwicklungsprogrammen. Die Verhinderung der Ausbreitung und Infektion durch antibiotikaresistente bakterielle Pathogene (ARBPs) ist für die Bewahrung medizinischer Errungenschaften des 20. Jahrhunderts essenziell.

Unsere Mission ist es, die molekulare Sprache des Lebens zu verstehen. Wie nehmen Zellen im Körper Signale aus ihrer Umgebung wahr, integrieren diese Informationen, um Entscheidungen zu treffen, und kommunizieren miteinander, um Funktionen im Gewebe zu koordinieren? Durch die Entwicklung neuer Werkzeuge zur Steuerung der Signalübertragung wollen wir Innovationen für Gesundheit und nachhaltige Landwirtschaft vorantreiben.

Im Exzellenzcluster 3D Matter Made to Order (3DMM2O) verfolgen wir die Vision, jede digital formulierte Idee durch die Technologie der 3D Additiven Fertigung in die Realität zu übersetzen. Diese Art der Formgebung, bei der Material lokal hinzugefügt wird anstelle es zu entfernen, hat sich zu einem wichtigen Werkzeug auf der Makroskala entwickelt. Unser Alleinstellungsmerkmal besteht darin, diese Technologie zur molekularen Skala zu treiben, um so bisher unzugängliche wissenschaftliche Fragen in den Lebens- und Ingenieurwissenschaften zu beantworten und neue Anwendungen zu erschließen.