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.

Biologische Materialien zeichnen sich durch eine einzigartige Vielfalt an Funktionalitäten aus, die durch den Einsatz weniger, aber reichlich vorhandener chemischer Elemente entstehen. Im Gegensatz dazu benötigen technische Materialien für besondere Funktionen häufig seltene und nicht nachhaltig nutzbare chemische Elemente. Die Natur umgeht dieses Problem, indem sie Funktionalitäten durch maßgeschneiderte Mehrskalenarchitekturen realisiert, bei denen Wasser als Arbeitsfluid auf kleinsten Skalen mit seiner einzigartigen strukturellen Dynamik agiert.

Die Baubranche zählt zu den Hauptverursachern von Treibhausgasemissionen und den Hauptverbrauchern von Energie und Ressourcen. Während sie die Umwelt durch Abfall, Lärm und andere Emissionen belastet, leidet sie unter stagnierender Produktivität, schwierigen Arbeitsbedingungen und einem zunehmenden Arbeitskräftemangel. Um die globale Erwärmung zu verlangsamen und zugleich bezahlbaren, klimaresilienten Wohnraum für die Bevölkerung und die entsprechende Infrastruktur zu schaffen, muss die Bauindustrie eine disruptive Transformation durchlaufen.

Der Cyberspace hat in den letzten Jahren einen immer größeren Teil unseres Lebens eingenommen und die Informationsgesellschaft ist zur Realität geworden. Dies geht mit einem tiefgreifenden Wandel in der Cybersicherheit und einer dramatischen Vergrößerung der Angriffsfläche für Cyberattacken einher. Im Fokus der Angreifer stehen zunehmend Ziele wie Krankenhäuser, öffentliche Einrichtungen sowie kritische Infrastrukturen. Diese Situation wird durch staatliche Angreifer weiter verschärft, welche zunehmend geopolitische Ziele verfolgen. Das Aufkommen disruptiver Technologien wie generativer KI, Quantencomputern oder Blockchains und Kryptowährungen erhöht die digitalen Risiken zusätzlich. Dieser dramatische Umbruch stellt eine grundlegende Bedrohung für unsere Gesellschaft dar, welche demokratische Prozesse, kritische Infrastrukturen und das Wohlergehen der Bürger*innen gleichermaßen gefährdet.

Die Vision von CeTI² ist es, Menschen und Maschinen zu befähigen, in Quasi-Echtzeit in global verteilten realen und virtuellen Umgebungen zu interagieren. Das Cluster verfolgt dabei das Ziel, innovative technologische Lösungen für globale Herausforderungen wie Pandemien, den demografischen Wandel, Fachkräftemangel, Klimawandel und geopolitische Unsicherheiten zu entwickeln.

Die scheinbar unbegrenzt verfügbaren Ressourcen haben der Menschheit ein rapides Bevölkerungswachstum ermöglicht, das mit einer massiven Ausbeutung fossiler Brennstoffe einherging. Mit der daraus resultierenden voranschreitenden Zerstörung unserer Umwelt steuern wir nun auf ein Zeitalter der Ressourcenknappheit zu, welches nahezu alle Produktionstechnologien in ihren Grundfesten zu erschüttern droht. Weltweit wird daher bereits intensiv an Möglichkeiten geforscht, Produktion nachhaltiger, effizienter und automatisierter zu gestalten.

Hörverlust ist die häufigste Sinnesstörung und beeinträchtigt Kommunikation, Kognition, Hirngesundheit, soziale Teilhabe und Lebensqualität. Als führendes interdisziplinäres Konsortium haben wir in vorangegangen Förderphasen die Auswirkungen von Hörverlust untersucht und innovative biomedizinische sowie technische Lösungen für eine personalisierte Hörversorgung entwickelt. Obwohl der Cluster bedeutende Fortschritte bei der Behandlung von Hörverlust erzielt hat, kann keine der Lösungen den Reichtum natürlichen Hörens wiederherstellen. Dies liegt daran, dass die Zusammenhänge zwischen molekularen Mechanismen und Hörprofilen noch unzureichend verstanden sind, was für kausale Therapien entscheidend ist. Zudem fehlen transformative technologische Ansätze in der Weiterentwicklung von Hörhilfen. Angesichts jüngster Fortschritte in den Bereichen Genetik, Datenwissenschaft, KI und Gesundheitstechnologie haben wir jetzt die einzigartige Möglichkeit, dies zu verändern.

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.

Die Vision des Internet of Production (IoP) besteht darin, eine neue Ebene der Crossdomain-Zusammenarbeit zu ermöglichen, indem semantisch adäquate und kontextabhängige Daten aus Produktion, Entwicklung und Nutzung in Echtzeit auf einer angemessenen Granularität bereitgestellt werden.

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.

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.

Als bundesweit einziger Exzellenzcluster der Technischen Optik wendet PhoenixD einen holistischen Ansatz an und erforscht völlig neue optische Systeme, die nahtlos Hard- und Software verbinden.

Deep Learning (DL) hat in den letzten zehn Jahren zu bahnbrechenden Fortschritten in der künstlichen Intelligenz (KI) geführt, und trotzdem haben aktuelle KI-Systeme immer noch bemerkenswerte Schwachstellen. Zum einen erfordern sie beträchtliche Ressourcen, was zu einer Monopolstellung einiger weniger großer Unternehmen führt. Zum anderen können sie nicht logisch denken oder mit ungewohnten Situationen umgehen. Sie verbessern sich nicht kontinuierlich und müssen ständig angepasst und neu trainiert werden.

Die Exzellenzcluster-Initiative “Verantwortungsvolle Elektronik im Zeitalter des Klimawandels” (REC²) wird einen Paradigmenwechsel in Konzeption, Design, Realisierung, Nutzung und Entsorgung elektronischer Bauteile herbeiführen. Elektronik ist allgegenwärtig, sie ist unerlässlich für den Fortschritt und unterstützt uns in der Bewältigung vieler Herausforderungen, wie dem Klimawandel. Allerdings ist die Elektronik selbst auch ein Teil des Problems: Ihr beträchtlicher Energiebedarf steigt stetig und die immer kürzeren Nutzungszeiten führen zu einem enormen Ressourcenverbrauch.

Der Exzellenzcluster "Science of Intelligence (SCIoI)" trägt maßgeblich dazu bei, Intelligenz als Ganzes besser zu verstehen. Hierzu werden die bestehenden Erkenntnisse aus verschiedenen Disziplinen der Intelligenzforschung zusammengeführt.

Der Exzellenzcluster "Nachhaltige und energieeffiziente Luftfahrtsysteme" hat das Ziel, die grundlegende wissenschaftliche und technologische Basis für ein transformationsfähiges Luftverkehrssystem der Zukunft zu schaffen.

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 Zukunft wird erneuerbar! Die Gestaltung eines postfossilen Zeitalters erfordert die Entwicklung disruptiver Technologien zur Herstellung und Nutzung von flüssigen Energieträgern und chemischen Produkten als Grundlage für eine nachhaltige Verknüpfung von Energie und Chemie. Energiereiche Moleküle, die erneuerbare Energien zusammen mit nachwachsenden Rohstoffen speichern, leisten einen wichtigen Beitrag zur Defossilisierung des Transportsektors, insbesondere für schwierig elektrifizierbare Schwerlast- und Non-Road-Anwendungen, die einen erheblichen Anteil am Gesamtenergiebedarf haben. Gleichzeitig sind energiereiche Moleküle wesentliche Bestandteile für eine Netto-Null-Produktion von Chemikalien, die die Grundlage für Ernährung, Gesundheit und Wohlstand darstellen.