Erklär's deiner Omma

Unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler stecken tief in ihren Fachgebieten. Dazu gehören jede Menge Expertenwissen und ein ganzes Universum an Fachbegriffen. So wichtig wissenschaftliche Diskurse auch sind – so häufig stehen wir aber vor folgender Herausforderung: Unsere Arbeit am Fraunhofer IEM soll möglichst von einer breiten Bevölkerungsschicht verstanden werden.

Anlässlich unseres Jubiläums stellen wir unsere Forscherinnen und Forscher deshalb vor die Challenge: Erklär's deiner Omma! Fachbegriffe, die an unserem Institut alltäglich sind, sollen in wenigen Sätzen einfach erklärt werden. Und wir sind uns sicher: Darüber freut sich nicht nur Omma! :)

Unser Kollege Thomas Mager erklärt: »5G ist das gleiche wie Mobilfunk (Handy), nur eben schneller, mit weniger Reichweite, einem höheren Energiebedarf und teurer. 5G soll unser aller Leben verbessern, da man damit überall eine schnelle Datenverbindung aufbauen kann. Somit kann man sich mittels 5G zum Beispiel einen kompletten Spielfilm in wenigen Sekunden auf sein Handy runterladen. Zum Anschauen in Echtzeit bracht man dann allerdings wieder ein bis zwei Stunden. Daher ist der Nutzen von 5G für Ommas vermutlich eher gering.« :)

Auch unser Kollege Aschot Kharatyan stellte sich der Challenge und erklärt: Was ist eigentlich Generative Design?

Beim Generative Design übernimmt der Computer einige Aufgaben des klassischen Ingenieurs. Bei der Entwicklung eines Autos erstellt er zum Beispiel automatisch Zeichnungen der Karosserie. Weil er zuvor mit sehr vielen Informationen gefüttert wurde, kann er Fragen wie »Welche Form soll die Karosserie haben?« oder »Wo sind Öffnungen notwendig?« selbst beantworten. Der Ingenieur guckt dann später drauf und gibt Rückmeldung, ob er es gut findet oder ob der Computer wieder von vorne beginnen muss.

Wir haben unseren Kollegen Christoph Jürgenhake gebeten: »Erklär´s deiner Omma«!

Also Omma, mit dem IoT bzw. IIoT ist das so: Der Begriff IoT steht für Internet der Dinge (engl. Internet of Things). Das bedeutet, dass man verschiedene Dinge oder Objekte miteinander vernetzen kann und diese dann Informationen austauschen können – so kann sich dann zum Beispiel deine Kaffeemaschine mit deinem Toaster unterhalten.

Die Kaffeemaschine kann dann schon anfangen, deinen Kaffee zu brühen, während du morgens den Toaster anstellst oder umgekehrt. Außerdem könnte sich zum Beispiel dein Kühlschrank mit deinem (digitalen) Einkaufszettel unterhalten und dir dann Bescheid sagen, dass du im Laden noch Butter kaufen musst. Beim IIoT gilt im Prinzip das gleiche, nur eben in der Industrie, dafür steht das erste I. Da unterhalten sich dann nicht Toaster und Kaffeemaschine sondern Roboter und Werkzeugmaschinen miteinander, um zum Beispiel Fertigungsprozesse noch besser und genauer zu machen.

Vieles ginge vermutlich auch ohne IoT, aber du sagst ja selber immer, dass sich die jungen Leute heutzutage nichts mehr merken können und früher auch handwerklich besser waren. Das IoT hilft ihnen dabei, mit euch mitzuhalten.

Diese Woche fragt unsere Omma: Was ist Maschinelles Lernen? Unser Kollege Sebastian von Enzberg hat ein gute Antwort parat:

Stell dir vor, du sollst einem Roboter beibringen, eine Banane zu erkennen. Du könntest ihm die Banane beschreiben: »Es ist ein längliches Objekt, leicht gekrümmt, gelb«.

Manchmal kann die Banane aber auch grün sein oder schwarze Flecken haben - eine vollständige Beschreibung ist gar nicht so leicht.

Nutzt du maschinelles Lernen, kannst du dem Roboter stattdessen Beispielbilder mit einer Beschreibung geben (»das ist eine Banane«). Je mehr Bananen-Bilder der Roboter sieht, umso sicherer wird er darin, auch andere Bananen als solche zu erkennen.

So löst Maschinelles Lernen Aufgaben, ohne dass die Programmierer*in eine detaillierte Beschreibung anfertigen muss. Oder es werden sehr komplizierte Aufgaben gelöst, deren Lösung man gar nicht ohne weiteres beschreiben kann.

Mit Virtual Reality ist das alles möglich! Aber was ist das eigentlich genau? Wir haben unseren Kollegen Daniel Eckertz gebeten: »Erklär´s deiner Omma«!

Virtual Reality ist, wenn man die reale Welt, die man um sich herum sieht, durch eine vom Computer erzeugte Welt ersetzt. In dieser künstlichen Welt kann man sich frei bewegen und fast alles tun, was man sich vorstellen kann, egal ob es in der echten Welt möglich wäre oder nicht. Man kann am Strand sitzen, obwohl man eigentlich im eigenen Wohnzimmer ist, die Welt aus Sicht einer Ameise betrachten oder sich ein Auto anschauen, das noch gar nicht gebaut worden ist.

Embedded Systems sind in jedem Haushalt zu finden. Ein Embedded System ist wie ein kleiner Computer - mit einem Unterschied: Ein normaler Computer ist ein Allzwecksystem, mit dem Sie im Internet surfen, etwas schreiben oder ein Video ansehen können. Ein Embedded System hingegen ist immer für eine bestimmte Funktion gedacht und steuert ein bestimmtes Gerät. Durch Embedded Systems kann man Geräte auch intelligent machen.  

Embedded Systems finden wir zum Beispiel…

• in Omas Hörgerät, damit sie besser hören kann. 
• in Omas Kaffeemaschine, die selbständig im Geschäft neues Kaffeepulver bestellt.
• in Omas Smartphone, dort ermöglicht es Lokalisierung und Notruf-Funktion.

Jedes mechatronische System – vom Backofen bis zum Flugzeug – verfügt über einen oder mehrere kleine verbaute Computer. Auf einem solchen Computer läuft ein Programm, die sogenannte Steuerung (engl. Control), welches das Verhalten des Systems bestimmt. Das könnten zum Bespiel die Hitze der Heizstäbe oder die Drehzahl des Ventilators während der Umluftfunktion im Backofen sein. Um bei der Entwicklung des Programms nicht bei jeder Änderung ein neues Gerät bauen zu müssen, wird das ganze System zunächst simuliert und erst Schritt für Schritt mit realen Komponenten verbunden. Da mit dieser Vorgehensweise sehr schnell neue Prototypen für die Steuerung entworfen werden können, nennt man das »Rapid Control Prototyping«.

Stell dir vor ich bin Bäcker und möchte Torten backen und danach kühl lagern bis sie gebraucht werden. Wenn jetzt plötzlich eine Riesenbestellung kommt, dann habe ich in meiner Backstube nicht genug Platz, um alle Torten zu backen und das Kühlhaus ist auch zu klein. Zum Glück gibt es aber einen anderen Bäcker, der sehr viele Öfen und viel freien Platz in seinem Kühlhaus hat. Er bietet mir an, meine Torten zu backen und auch zu lagern. Ich muss ihm dafür nur meinen Teig und die Back-Anleitung zuschicken. Für den anderen Bäcker ist das ein gutes Geschäft. Auch für mich lohnt sich das, denn ich miete bei ihm exakt so viele Öfen und Lagerfläche, wie ich auch wirklich benötige. Wenn die Riesenbestellung erledigt ist, kann ich wieder in meiner kleinen eigenen Backstube arbeiten.

So ähnlich ist es beim Cloud Computing: Ich kann Computer benutzen, die nicht bei mir im Büro stehen, sondern irgendwo bereitgestellt werden. Ich erreiche sie zum Beispiel über das Internet. Wenn ich nun viel Rechenkapazität benötige, miete ich mir diese bei einem Dienstleister, der ganz viele Computer betreibt und mache meine Berechnungen dort. So muss ich nicht so viele Rechner selbst betreiben, die ich ja gar nicht immer bräuchte.

Requirements Engineering (im Deutschen auch oft Anforderungsmanagement genannt) verfolgt das Ziel, sicherzustellen, dass das richtige Produkt entwickelt wird: eines, das den Kundenwünschen entspricht und gleichzeitig auch umsetzbar ist. So werden für die Entwicklung eines neuen Smartphones spezielle Befragungstechniken eingesetzt, um die Kundenwünsche zu ermitteln. Da für ein Smartphone viele und komplexe Anforderungen zusammenkommen, müssen diese so dokumentiert werden, dass sowohl die Kunden als auch die Entwickler sie verstehen. Die Kunden sollen ihre Wünsche wiedererkennen und die Entwickler müssen sie bewerten und umsetzen können. Der Requirements Engineer vermittelt dabei zwischen den Parteien (Stakeholdern). Kann das Smartphone gleichzeitig eine lange Akkulaufzeit haben und extrem leicht sein? Was wünschen sich die Kunden? Was ist technisch machbar? Wo liegt der Kompromiss?

Industrial Data Science ist wie das Graben nach Gold in den Daten aus dem industriellen Betrieb. Das Gold entspricht dabei neuen Erkenntnissen und Gesetzmäßigkeiten. Dabei kommen verschiedenste Werkzeuge aus der Mathematik, Statistik und Informationstechnik (also Fächer, die sich mit Zahlen und Computern beschäftigen) zum Einsatz. Heute kann jedes Gerät und jede Produktionsmaschine Daten sammeln, das sind beispielsweise Informationen darüber, wann eine Maschine ausfällt. Ein typisches Beispiel für IDS ist die Erkennung von Ereignissen, die darauf hindeuten, dass irgendetwas aus dem Ruder läuft – zum Beispiel die Vorhersage von Maschinenausfällen. Das funktioniert, indem der Computer ganz viele Beispiele sieht und aus bereits gemachten Erfahrungen lernt.

Hömma, Omma! Gegenfrage: Was macht eigentlich ein Architekt? Genau, er zeichnet einen Entwurf seines Bauvorhabens und führt darauf Berechnungen und Analysen aus, um sicherzustellen, dass das zu bauende Haus oder die Brücke auch stehen bleibt – lange bevor der erste Stein gelegt wird.

Das gleiche muss man wegen ihrer Komplexität auch bei heutigen technischen Systemen machen, von der Kaffeemaschine bis zum Flugzeug. So gibt es sogenannte Systemarchitekten, die solche komplexen Systeme mit der »Zeichnungssprache« SysML zunächst entwerfen und bestimmte Eigenschaften des späteren Systems sicherstellen – lange bevor die eigentliche Entwicklung beginnt.

Der digitale Zwilling ist eine Art Spiegelbild mit umfangreichen Informationen. Ein digitaler Zwilling eines Menschen beispielsweise zeigt, ob dieser gesund oder krank ist, welche Bücher dieser gerne liest oder wieviel Geld der Mensch auf seinem Konto hat. Alles an Informationen rund um diesen Menschen ist der digitale Zwilling des Menschen. Digitale Zwillinge können aber auch beliebige andere Objekte abbilden.

Die Entwicklung eines selbstfahrenden Autos kann man sich wie Diskussionen an Weihnachten mit der ganzen Familie vorstellen – kurz gesagt: immer etwas schwierig. Im Rahmen der Autoentwicklung bedeutet das: alle Beteiligten haben viele unterschiedliche Meinungen, was das fertige Auto eigentlich können soll und wie das umgesetzt werden muss. Vieles bleibt auch unausgesprochen und das führt zu Konflikten. Denkt man wieder zurück an Weihnachten ist Systems Engineering das Familienmitglied, das es letztlich doch schafft, den Tag zu retten. Im Rahmen der Autoentwicklung bedeutet das, ganzheitlich zu denken. SE stellt von der Idee bis zum fertigen Auto passende Hilfsmittel und Methoden bereit, damit möglichst alle Anforderungen erfolgreich realisiert werden und der gesamte Prozess funktioniert.

Die statische Codeanalyse findet Fehler und Sicherheitslücken in Apps wie Whatsapp oder der Corona-Warn-App, die wir auf unseren Smartphones nutzen. Aber was genau ist statische Code-Analyse? 

Stellen Sie sich vor, Ihre beste Freundin schenkt Ihnen ein Rezept für den leckeren Erdbeerkuchen, den Sie letzte Woche bei ihr gegessen haben. Sie lesen das Rezept, bevor Sie den Kuchen backen, um die benötigten Zutaten zu besorgen. Doch dann stellen Sie fest, dass irgendetwas keinen Sinn ergibt. Im Rezept Ihrer Freundin stehen 150g Salz und eine Prise Zucker. Offensichtlich ein Fehler! Nur durch das Lesen des Rezepts und dank Ihrer Erfahrung haben Sie verhindert, dass dieser salzige Kuchen entsteht, ohne ihn backen zu müssen. 

Genauso liest die statische Codeanalyse das Rezept der App (Code, den die Softwareentwickler geschrieben haben) auf Ihrem Smartphone, ohne die App zu starten und auszuführen, und findet potenzielle Probleme, die zum Beispiel Ihre persönlichen Daten über das Internet preisgeben könnten.

PLM steht für ProduktLebenszyklusManagenemt. Klingt ganz schön kompliziert, oder? Ist es aber gar nicht. PLM ist so etwas wie ein Kleiderschrank. Im Kleiderschrank kann man seine Klamotten aufbewahren und ordnen. Mit PLM kann man seine Produktdaten aufbewahren und ordnen. Produktdaten? Was ist das denn schon wieder? Produktdaten sind zum Beispiel digitale - also im Computer gespeicherte - technische Zeichnungen von einer Maschine. Die machen der Ingenieur oder die Ingenieurin und legen sie dann in ihrem Kleiderschrank, pardon PLM, ab. Damit sie oder andere die Zeichnung auch wiederfinden überlegen sie sich vorher ein Ordnungssystem und halten sich im täglichen Leben auch daran. Wie beim Kleiderschrank. Manche machen das nicht. In deren Kleiderschrank sieht es dann aus wie Kraut und Rüben. Und dann wundern sie sich, warum sie ihre Zeichnung nicht wiederfinden. Es gibt sogar Leute, die haben gar keinen Kleiderschrank. Bei denen liegen die Sachen auf Stühlen und in verschiedenen Kisten. Damit lebt es sich aber nicht so gut, nicht wahr? Ein gut organisierter und aufgeräumter Kleiderschrank erleichtert das Leben und spart viel Zeit. Und genauso ist das mit dem PLM für Ingenieurinnen und Ingenieure. 

Der Makeathon ist wie der Eurovision Song Contest, nur für das Thema Innovationen. Das bedeutet: Es treten verschiedene Teams im Wettbewerb auf, die Ideen für neue Innovationen erarbeiten und diese dann auf einer Bühne präsentieren. Danach wird ein Sieger gewählt und fast immer gibt es einen Preis. In welcher Branche sich das ganze abspielt, ist ganz egal. Innovationen gibt es überall.

Omma, du sagst ja immer, früher war alles besser. Für deine Kaffeemaschine oder deinen Staubsauger kann man das aber nicht sagen. Die waren nur vielleicht in ihrer Funktionalität etwas einfacher. Im Vergleich zu früher haben die beiden heute einfach mehr Funktionen und für denjenigen oder diejenige, die sich deine Kaffeemaschine ausdenken und entwickeln ist die Aufgabe schwieriger geworden: Sie müssen an viel mehr Sachen gleichzeitig denken.  

Agilität ist jetzt eine bestimmte Denkweise oder Methode für genau diese schwere Entwicklungsaufgabe. Die Grundlagen sind in einem sogenannten Manifest festgehalten. Das sagt, dass die Entwicklerin oder der Entwickler immer die ganze Maschine im Blick behalten soll und nicht z. B. nur die Kaffeekanne ohne den Rest berücksichtigt.  

Außerdem sollen sie schon in der Entwicklung immer mit Dir als spätere Nutzerin sprechen. So erkennen sie schon früh, ob Du die Kaffeemaschine überhaupt gut findest oder eben nicht. Dadurch tasten sie sich langsam an die beste Kaffeemaschine für Dich heran, und entwickelt nichts, was dir nicht gefällt. Sie verschwenden also nicht so viel Zeit für die Dokumentation und Vertragsverhandlungen – was sonst häufig passiert – sondern stecken mehr Zeit in das Reagieren auf Veränderungen oder arbeiten mit der späteren Nutzerin eng zusammen - damit der Kaffee am Ende auch schmeckt :) 

Stell dir vor, du bereitest dich auf deine nächste Doppelkopfrunde vor und dein Lockenstab fällt plötzlich aus. Du musst schnell zum Elektronikhändler. Das kostet dich viel Zeit, Geld und Nerven. Dann werden die Haferkekse auch nicht mehr fertig. Der Tag ist quasi gelaufen. Genau um solche Situationen abzuwenden gibt es die sogenannte Predictive Maintenance oder auf Deutsch vorausschauende Wartung.

Nun stell dir vor, ich würde die Temperatur deines Lockenstabs messen und auf Basis dieser Messung versuchen vorauszusagen, wann der Lockenstab ausfällt. Mit dieser Information vereinbare ich dann einen Wartungstermin so, dass der Lockenstab definitiv vor deiner nächsten Doppelkopfrunde einsatzbereit ist. Auf diese Weise hast du immer eine Top-Frisur und sparst Zeit, Geld und eine Menge Nerven.

Nun weil ich nicht immer dabei sein kann, wenn du dich frisierst, würde ich kleine Sensoren für die Messung der Temperatur einsetzen. Die Vorhersage macht dann ein kleiner Computer, der bereits sehr viele Lockenstäbe gesehen hat und somit eine ziemlich präzise Schätzung abgeben kann. Die Wartung selbst übernimmt dann aber ein Techniker, der dich frühzeitig warnt und einen passenden Termin mit dir vereinbart.

Augmented Reality (kurz AR) bedeutet wörtlich übersetzt »erweiterte Realität«. Mit AR können wir unsere reale Umgebung mit virtuellen - am Computer generierten - Objekten anreichern. Am besten erkläre ich dir das an einem Beispiel: Du schwärmst doch seit einiger Zeit von diesem tollen Ohrensessel, bist dir aber nicht sicher, ob er so gut in dein Wohnzimmer passt. Mit AR kannst du dir dein Wohnzimmer in Echtzeit so anschauen als stünde der Ohrensessel schon drin. Dafür brauchst du ein Smartphone oder Tablet mit einer Kamera. Durch eine spezielle App wird dann das Kamerabild mit einem Computermodell von dem Sessel überlagert. Neben digitalen Ohrensesseln kann man mit dieser Technik natürlich auch diverse andere Modelle und Informationen in die reale Umgebung einbinden. Ein AR-Navigationssystem zeigt dir zum Beispiel alle wissenswerten Informationen direkt in deinem Blickfeld auf der Straße an.

Wie kann ein Computer für ein mechanisches Bauteil, z.B. den Flügel eines Flugzeugs, den besten Kompromiss hinsichtlich Stabilität (Sicherheit) und Materialbedarf (Kosten) berechnen? Evolutionary Computing ist ein Teilbereich der Informatik, bei der Informatiker die Natur nachahmen, um solche schwierigen Probleme zu lösen.  

Dazu entwickeln sie Computerprogramme, die den optimalen Kompromiss durch "intelligentes Ausprobieren" schrittweise berechnen: Für unterschiedliche Flügelentwürfe - die erste Generation - werden bestimmte Flügelmerkmale miteinander vermischt (gekreuzt) oder zufällig verändert (mutiert). Dadurch entstehen neue Flügelentwürfe - Nachkommen der ersten Generation - die hinsichtlich Stabilität und Materialbedarf bewertet werden.  

Die besten neuen Entwürfe werden übernommen und überleben, schlechte werden verworfen und sterben (Selektion). Kreuzungen, Mutationen und die Selektion wiederholt das Computerprogramm so lange, bis ein sicherer und günstiger Flügel gefunden wurde - ganz ähnlich zur Natur, die sich seit Jahrmillionen erfolgreich weiterentwickelt.