Reservoir Computing: Humboldt-Stipendiat erforscht Bildverarbeitungstechnologien für verbesserte Ernteerträge

Schon als ich zur Schule ging, sagte meine Familie: 'Du bist gut in Mathe, du solltest Mathematiker werden‘. Aber ich habe mich mit Physik wohler gefühlt, auch weil ich den ersten Preis im Physikwettbewerb in der Schule gewonnen habe

 erzählt Jimmi H. Talla Mbé: 

Ich mag es, mit Geräten in Kontakt zu sein, mit Dingen, die ich sehen und anfassen kann und die einen sozialen Nutzen haben.

Bereits kurz nach dem Physik-Studium kam er erstmals mit der Alexander von Humboldt-Stiftung in Berührung: 

Im Studium hat mich vor allem mein Supervisor inspiriert. Er war auch Humboldtianer mit einer großen Leidenschaft für Forschung und Wissenschaft. Das hat mich dazu bewegt, selbst in die Forschung zu gehen, um gesellschaftlich etwas zu bewirken.

Für seine akademischen Leistungen wurde der Physiker 2009 mit dem 1. Preis des Alexander von Humboldt-Kollegs in Kamerun ausgezeichnet. Nach der Promotion an der University of Yaoundé I 2012 führte ihn sein akademischer Weg als Postdoktorand an das renommierte FEMTO-ST-Institut in Besançon, Frankreich. Anschließend war er als Lehrer an einer weiterführenden Schule tätig, bevor er 2016 von der University of Dschang als Dozent angeworben wurde. 

Seit 2022 ist der 44-Jährige Associate Professor für Physik an der University of Dschang, wo er bereits zuvor fünf Jahre lang als Dozent und Assistant Professor lehrte und forschte. Seine theoretische und experimentelle Arbeit widmet Prof. Talla Mbé dem Phänomen der nichtlinearen Dynamik – ein Forschungsgebiet, das ihn mit der Theoretischen Physikerin Prof. Kathy Lüdge verbindet: 

Das heißt wir untersuchen Systeme, bei denen schon kleine Änderungen im Input zu großen, unerwarteten Änderungen im Output führen können. Beispiele hierfür sind Systeme wie das Wetter, das menschliche Herz oder Laser mit optischer Rückkopplung, die neben stabiler Lichtemission auch flackern oder chaotisch pulsieren können. Diese scheinbar unregelmäßigen oder komplexen zeitlichen Muster sind keine ‚Fehler‘, sondern oft sehr reich an Informationen

erklärt Prof. Katy Lüdge. Ebenso wie Prof. Talla Mbé hat sie es sich zur Aufgabe gemacht, diese nichtlineare Dynamik zu verstehen und zu nutzen: 

Denn gerade weil nichtlineare Systeme so komplex reagieren, können sie Muster in Daten sehr gut verarbeiten.

Rechnen ohne Computer, Cloud und ChatGPT

Im Zentrum der Forschung von Prof. Talla Mbé stehen optische und photonische Systeme wie spezielle elektronische und optoelektronische Oszillatoren oder Halbleiterlaser. Indem er diese Systeme gezielt in einen Zustand komplexer, nichtlinearer Dynamik versetzt, können sie Muster in Datenströmen verarbeiten und als „Reservoirs“ für das sogenannte Reservoir Computing dienen – ein Forschungsfeld, das auch Prof. Kathy Lüdge fasziniert:

Reservoir Computing ist eine Art des analogen Computings, bei dem man keinem digitalen Computer eine Aufgabe beibringt, beispielsweise durch direkte Programmierung, sondern stattdessen die Antwort eines physikalischen Systems, zum Beispiel die Lichtintensität eines Lasers oder die Auslenkung eines mikromechanischen Oszillators, nutzt. Zum Training wird das System durch Eingangsdaten optisch oder elektrisch gestört und optimale Auslesegewichte bestimmt, was im Vergleich zum aufwendigen Training von neuronalen Netzwerken in nur einem Schritt erfolgen kann. Im Anschluss können komplexe Eingangsdaten direkt vor Ort analysiert und klassifiziert werden. Sind die Daten zeitliche Abfolgen –Zeitserien – von Wettermessdaten, kann das trainierte physikalische System, also zum Beispiel der Laser, in bestimmten Grenzen die Entwicklung für die Zukunft praktisch instant vorhersagen.

Prof. Talla Mbé ergänzt: „Die Systeme werden also zu einer Art künstlicher Intelligenz, die man ähnlich wie neuronale Netze trainieren kann, aber ganz ohne Computer, Cloud und ChatGPT.“ Trainiert wird dabei nur die Ausgabeschicht, während das eigentliche Reservoir – das dynamische System – genutzt wird, um Strukturen in den Eingabedaten abzubilden:

Ich finde diesen Ansatz des Reservoir Computings sehr faszinierend, denn statt riesige Rechner und Cluster zu nutzen, können wir am Ende vielleicht ein kleines physikalisches System bauen, das auf natürliche Weise ‚rechnet‘ und die vielfache Arbeit eines großen Rechners erledigt – und das mit deutlich weniger Rechenressourcen und Energie.

Auch wofür er die von ihm entwickelten Systeme einsetzen möchte, weiß Prof. Talla Mbé bereits genau: 

Wenn wir es schaffen, diese Systeme so klein, robust und energiesparend zu bauen, dass sie auch in ländlichen Regionen ohne große Rechenzentren einsetzbar wären, könnten wir ihnen zum Beispiel beibringen, den Status landwirtschaftlicher Anbauflächen oder den Zustand von Pflanzen zu überwachen. Im Idealfall können sie anhand von Bilddaten, die optisch aufgenommen und mit Hilfe des von uns trainierten energieeffizienten Systems verarbeitet werden, Entscheidungen treffen.

So ließen sich beispielsweise Pflanzenkrankheiten oder Schädlingsbefall frühzeitig erkennen und Ernteverluste verhindern. Aber auch Bewässerungssysteme könnten durch Vorhersage des Wasserbedarfs optimiert werden, um Ressourcen vor allem in wasserarmen Regionen besser zu nutzen. Damit knüpft hat das Forschungsgebiet starke Anknüpfungspunkte mit der Ilmenau School of Green Electronics (ISGE), bei der in vielen Projekten ebenfalls das ressourcensparende Computing im Fokus steht. 

An der TU Ilmenau wird sich Prof. Talla Mbé mit einer ganz bestimmten Form des Reservoir Computings, dem so genannten verzögerungsbasierten Reservoir Computing beschäftigen – einer Methode, die durch integrierte Rückkopplungsschleifen eine Art Gedächtnis erzeugt, so dass ein System auch auf zeitliche Veränderungen in Bildern reagieren oder Videosequenzen analysieren kann.

Botschafter und Mentor für junge Menschen 

Mit dieser Forschung möchte Prof. Talla Mbé im Sinne der Alexander von Humboldt-Stiftung auch als Botschafter und Kommunikator zwischen seinem Heimatland Kamerun und Deutschland dienen und den grenzüberschreitenden Austausch zwischen diesen Ländern fördern. Während der Jahrestagung der Deutschem Gesellschaft für Angewandte Optik (DGaO) im Juni, an der er gemeinsam mit Forschenden der TU Ilmenau teilnahm, konnte er bereits neue internationale Kontakte knüpfen. 

Vor allem aber liegt es ihm am Herzen, selbst junge Menschen zu inspirieren, technologische, soziale oder ökologische Herausforderungen unserer Gesellschaft zu adressieren und mit Hilfe der Wissenschaft eine nachhaltigere und gerechtere Welt im Einklang mit den Zielen für nachhaltige Entwicklung zu gestalten.

So ist er nicht nur selbst Gründer und Fellow der Cameroon Academy of Young Scientists (CAYS), sondern auch Advisor des IEEE-Cameroon Student Chapter sowie Gründer und ehemaliger Präsident des Optica (ehemals Optical Society of America) Student Chapters in Kamerun. Für seine Forschung und seinen Einsatz für den wissenschaftlichen Nachwuchs wurde er mehrfach ausgezeichnet – unter anderem mit dem African-German Network of Excellence in Science (AGNES) Young Scientist Grant 2012 und dem Edmund Optics Educational Award 2014. 

 Es geht immer um Vorbilder. Man braucht immer jemanden, der den Funken entzündet, damit sich eine Idee entfachen kann.