Das Konzept des Substrates stellt einen Paradigmenwechsel in der Art und Weise dar, wie wir Programmierung und Anwendungserfahrung verstehen. Im Kern beschreibt ein Substrate ein vollständiges, sich selbst ausreichend versorgendes Programmiersystem, das persistenten Code und Datenspeicherung mit einer direkten Manipulation der Benutzeroberfläche verbindet. Es geht dabei weit über traditionelle Software-Stacks hinaus, die verschiedene Ebenen wie Datenbanken, Programmiersprachen und Benutzeroberflächen strikt trennen. Stattdessen ist ein Substrate konzeptionell einheitlich, was es als eine Synthese aus Dokument, Datenbank und Programmiersprache begreifbar macht – kurz gesagt: ein WYSIWYG-Dokument, eine Datenbank und eine Programmiersprache in einem einzigen System integriert. Historische Beispiele wie Smalltalk und LISP zeigen, wie die Idee eines Substrates bereits seit Jahrzehnten in der Informatik existiert und dessen Potenzial in Form von dynamischen, live programmierbaren Systemen erkennbar ist.
Auch populäre Systeme wie HyperCard oder Flash können als Substrate verstanden werden, die besonders für Einsteiger mit intuitivem Umgang gestaltet waren. Allerdings sind es vor allem Tabellenkalkulationen, die den durchschlagendsten Beweis dafür liefern, dass alternative Programmiererlebnisse möglich, praktikabel und äußerst erfolgreich sind. Der massive Gebrauch von Programmen wie Excel zeigt, wie ein Programmier-ähnlicher Umgang mit Daten alltagsnah und für eine breite Nutzerschicht tragfähig sein kann. Im heutigen Internetermöglichen sogenannte Webstrates eine Umsetzung dieser Gedanken im Browser, womit die Grenzen zwischen Dokumenten und Anwendungen deutlich verschwimmen. Das eröffnet neue Perspektiven hinsichtlich Interaktivität und Kollaboration auf Webplattformen und fördert die Entwicklung von Softwareartefakten, die in sich sowohl Inhalt, Berechnung als auch Interaktion versammeln.
Einer der wesentlichen Vorteile von Substrates liegt in der Vereinfachung der Anwendererfahrung und der Entwicklerarbeit gleichermaßen. Anwendungen werden hierbei als Dokumente oder Bilder konstruiert, was nicht nur für den Endnutzer eine kohärentere, konsistentere Oberfläche schafft, sondern auch Entwicklern erlaubt, sich auf ein kleines Set universeller Werkzeuge zu konzentrieren. Das reduziert Komplexität und impulsiv auftretende Schwierigkeiten, die sonst durch unterschiedlich spezialisierte Technologien in einem Software-Stack entstehen. Besonders hervorzuheben ist die sanfte Progression vom Nutzer zum Entwickler. Substrates befördern diesen Übergang durch den Abbau von Hürden und die Bereitstellung eines live programmierbaren Umfelds, welches unmittelbare Rückmeldungen erlaubt und die traditionelle Trennung von Programmieren und Benutzen aufhebt.
Dies macht Substrates zu einem perfekten Lernwerkzeug für Einsteiger, die über einfache Werkzeuge hinausgehen und anspruchsvollere Anwendungen ohne aufwändigen Lernprozess erstellen wollen. Trotz der zahlreichen Vorteile stehen Substrates vor großen Forschungsfragen. Die zentrale Herausforderung ist es zu klären, wie pluralistisch Substrate gestaltet sein können. Bedeutet das, verschiedene Domänen und Komponentenmodelle können in einem Substrate integriert werden, ohne deren Eigenheiten zu verlieren? Kann ein Softwarestack tatsächlich vereint werden oder sind Spezialisierungen unvermeidlich? Hinzu kommt die Frage, ob statisch typisierte Programmiersprachen neben den bislang gebräuchlichen dynamisch typisierten Systemen wie Smalltalk oder LISP Anwendung finden können. Auch die Kernkomponenten von Substrates werden hinterfragt: Sollte man weiterhin auf Programmiersprachen und Benutzeroberflächen als Basis setzen, oder ist der Aufbau auf einer Datenbank eine gangbare Alternative? Dies würde nahtlose und konsistente Datenmodelle forcieren und sich von klassischen Softwarestrukturen hin zu organischen, dynamischen und kollaborativen Systemen bewegen.
Ein innovativer Forschungsschwerpunkt liegt auf der Entwicklung von sogenannten Edit-Kalkülen, welche eine formale Grundlage für die Veränderungen an Daten und Code in diesen Substraten bieten sollen. Ein Edit-Kalkül beschreibt die Schnittstelle zwischen Nutzerinteraktion und zustandsverändernden Operationen und ermöglicht es insbesondere, Typänderungen und Schema-Anpassungen synchron und konsistent umzusetzen. Das Ziel ist es, die Intention des Anwenders beim Editieren von Typen oder Daten unmittelbar zu erfassen und selbst komplexe Migrationsprozesse in Titularität und Konsistenz zu gewährleisten. Darüber hinaus eröffnet dieses formale Konzept neue Möglichkeiten für echtes kollaboratives Arbeiten. Durch Verallgemeinerung bestehender Theorien wie Operational Transformation und Convergent Replicated Data Types können Mechanismen von verteilten Versionskontrollsystemen - etwa Diffing, Merging oder Cherry-Picking - auf eine Weise implementiert werden, die Absichten bewahrt, anstatt nur konkrete Änderungen zu verfolgen.
Dies verspricht kollaborative Softwareentwicklung im Stil klassischer DVCS, jedoch eingebettet in ein flexibleres, offen gestaltetes und live programmierbares Ökosystem. Im Unterschied zu traditionellen Programmiersystemen fokussieren Substrates auch die Anwendergruppe, die sie adressieren. Ziel sind Anfänger, technisch weniger versierte Nutzer und Power-User, die bisher vor allem durch Tabellenkalkulationen ihre Bedürfnisse abdecken, aber nach mehr Leistung und Flexibilität verlangen. Es geht nicht darum, elitär-professionelle Entwickler anzusprechen oder hochkomplexe „Tools for Thought“ zu schaffen, sondern praktikable Werkzeuge für die alltägliche Anwendung und produktives Arbeiten zu bieten. In der Gestaltung werden bewusste Entscheidungen getroffen, um diese Zielgruppe zu erreichen.
So steht das Datenmodell im Mittelpunkt - denn für die Nutzer zählen Daten mehr als der Code, der diese Daten verarbeitet. Die Verschmelzung von Dokumenten-, relationalen Datenbank- und Programmiersprachenmerkmalen schafft eine einheitliche Grundlage, auf der sich vielfältige Anwendungen aufbauen lassen. Statische Typisierung verbessert dabei die Nutzererfahrung und Nutzerzufriedenheit, ohne die nötige Flexibilität bei Schemaänderungen einzuschränken. Die Integration eines benutzerfreundlichen, verteilten Versionskontrollsystems ermöglicht darüber hinaus nachvollziehbare Zusammenarbeit und Versionshistorien. Ein zentrales Anliegen ist die Verminderung von sogenannten Impedanz-Mismatches, die immer dann entstehen, wenn Daten durch mehrere unterschiedliche Systeme geschleust werden müssen - etwa zwischen Datenbank, Programmiersprache und UI.
Die selbst entwickelte Modellierung greift Ansätze statisch typisierter funktionaler Programmiersprachen auf, erweitert diese jedoch um mutable Datenstrukturen mit global eindeutigen Objekt-IDs und Querverweisen, welche über Pfadstrukturen adressiert werden. Dadurch wird eine langlebige und flexible Struktur ermöglicht, die das dynamische Verändern von Daten und Typen adressiert. Das theoretische Fundament bildet eine sogenannte Edit-Kalkül-Theorie, die den Bearbeitungsprozess von Daten- und Typzuständen formalisiert. Dies ist besonders bei inkrementellen Schemaänderungen kritisch, bei denen es gilt, die Intention des Nutzers aufzunehmen und darauf basierend Migrationsregeln anzuwenden. Ziel ist es, eine exakte Spezifikation dieser Bearbeitungsprozesse zu entwickeln, um Fehler zu vermeiden und gleichzeitig Versionskontrolle und Zusammenarbeit zu unterstützen.
Die praktische Umsetzung dieses Forschungskonzeptes ist im Prototyp „Baseline“ sichtbar, der bereits Fortschritte im Bereich strukturierter Versionierung und operativer Versionskontrolle vorweisen kann. Zu den ambitionierten Vorhaben zählen die Entwicklung von multiplayerfähigen, transaktionalen Kollaborationsmodi, die sich den Herausforderungen verteilter Bearbeitung stellen, sowie eine noch zu entwickelnde algebraische Struktur ähnlicher Bedeutung wie die relationale Algebra für Datenbanken. Die Relevanz dieser Forschung zeigt sich vor allem in der zunehmenden Bedeutung von End-User-Programming und besserer Kollaboration bei Softwareerstellung. Substrates könnten die nächste große Plattform für produktives Arbeiten werden und bislang getrennte Welten klassischer Programmierung, Dokumentbearbeitung und Datenverwaltung zu einem nahtlosen Erlebnis verknüpfen. Durch die Nutzung moderner Mechanismen zur Versionskontrolle und kollaborativer Bearbeitung erhält der Nutzer mehr Kontrolle und Transparenz, ohne überwältigt zu werden.
Es bleibt jedoch noch ein weiter Weg: Viele grundlegende Fragen sind offen und bedürfen gemeinsamer Forschung und Diskussion. Sind Substrates wirklich eine eigene Fachdisziplin, die sich als Feld klar abgrenzt? Welche Art von Ontologien und Systemarchitekturen sind optimal? Wie lassen sich Substrates in bestehende IT-Ökosysteme integrieren, etwa durch Standard-APIs oder Dateiformate? Und was wird die Rolle von Künstlicher Intelligenz und großen Sprachmodellen in dieser Transformation sein? Können KI-Systeme Substrates ergänzen oder gar ersetzen? Die Vision des Substrate-Konzepts bietet eine faszinierende Zukunft des Programmierens und der Softwareentwicklung. Die Reduktion komplexer Systeme auf ein handhabbares, konsistentes und persönliches Umfeld verspricht nicht nur neue Macht und Flexibilität für „Nicht-Programmierer“, sondern auch ein frisches Verständnis von Software als lebendige, zusammengesetzte, kollaborative und kreative Medienform. Die anstehende Zeit wird zeigen, ob Substrates den Sprung von der Forschung in den produktiven Alltag schaffen können und vielleicht eine neue Ära von Softwarewerkzeugen einläuten, die für alle zugänglich sind und zugleich anspruchsvolle Anwendungen ermöglichen.
