Künstliche Intelligenz

\"Künstliche Intelligenz, kurz KI. Die Erwartungen an KI für Innovation und Wettbewerbsfähigkeit in diversen Bereichen von Seite der Forschungseinrichtungen und der Unternehmen sind groß. Es gibt unzählige Ideen, was mit KI alles möglich werden könnte\", sagt Prof. Karsten Lemmer bei der Eröffnung des Symposiums \"Künstliche Intelligenz - Made in Germany\" am 4. Juni 2019.

Das Vorstandsmitglied des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), zuständig für die Energie- und Verkehrsforschung, betont weiter: "In der Öffentlichkeit ist KI zurzeit noch ein sehr schwammiger Begriff. Oft klingt es nach Science Fiction – irgendwo zwischen Angst und Euphorie, Fluch und Segen für die Menschheit. Wissenschaft muss die Aufklärung unterstützen und erklären, wie und wo KI als Werkzeug in Spezialanwendungen längst Realität ist und was dadurch alles erreicht wird".

Das DLR hat Vertreter aus Forschung, Industrie und Politik nach Berlin zu seinem exklusiven KI-Symposium eingeladen. Die anderthalbtägige Veranstaltung - organisiert vom Querschnittsbereich Digitalisierung im DLR - bildete eine Plattform, um in über 30 Vorträgen aktuelle Entwicklungen in den Bereichen Big Data und KI für die Erdbeobachtung, KI in der Robotik, intelligente Mobilität und Industrie 4.0 zu präsentieren und den Austausch zwischen Politik, Wirtschaft und Wissenschaft zu fördern.

"Auch wenn die Großmächte der KI-Forschung in der Öffentlichkeit oftmals im Westen und Fernosten der Weltkarte lokalisiert werden, sind Teildisziplinen und Anwendungen von KI in Deutschland und Europa oft führend", so Thomas Jarzombek, MdB und Koordinator der Bundesregierung für die deutsche Luft- und Raumfahrt bei seinem einführenden Grußwort.

Das DLR wirkt bereits seit Jahren daran mit, Methoden der künstlichen Intelligenz für immer mehr Anwendungsfelder weiterzuentwickeln, so zum Beispiel die Erdbeobachter, Verkehrsforscher, Robotiker und Leichtbau-Spezialisten:

Künstliche Intelligenz bringt Satelliten-Fernerkundung auf neues Level

Erdbeobachtung von Satelliten aus liefert unverzichtbare Information für eine riesige Bandbreite geo-relevanter Fragestellungen. Durch das europäische Copernicus-Programm mit seiner Sentinel-Satellitenflotte ist Europa zum größten Erdbeobachtungsdaten-Produzenten weltweit geworden. Die Copernicus-Daten sind darüber hinaus frei und kostenlos verfügbar. Hinzukommen neue Kleinstsatelliten-Schwärme privater Firmen. Somit stehen heute Daten in einer nie dagewesenen Quantität und Qualität zur Verfügung. Diese Entwicklung hat die Erdbeobachtung in den letzten Jahren revolutioniert. Die Möglichkeiten sind fast unbegrenzt – falls diese Daten auch effizient ausgewertet werden können.

Hier kommt die künstliche Intelligenz ins Spiel. Mit "klassischer" Erdbeobachtung werden zum Beispiel hochgenaue globale Karten und 3D-Modelle der Erde erstellt, urbane Regionen und Wüsten vermessen sowie die Wald-Biomasse und Polareis-Massen berechnet. Mit KI wird all das in Zukunft noch viel genauer gehen, KI eröffnet aber auch völlig neue Anwendungsgebiete. Mit KI kann Objekten auf der Erde ihre semantische Bedeutung zugewiesen werden. So lernt das System in Satellitendaten öffentliche Gebäude von privaten Häusern zu unterscheiden. Verknüpft man die Satellitendaten automatisiert mit großen Datensätzen aus Social Media, etwa einer Foto- oder Textplattform, können die semantischen Informationen ergänzt und vervollständigt werden. So können beispielsweise weltweit alle Städte kartiert und die Bevölkerungsdichte von Slums abgeschätzt werden.

Durch die hohe zeitliche Auflösung werden darüber hinaus die Veränderungen auf der Erdoberfläche über die Zeit messbar. Anwendungsbereiche dafür gehen von der Klima- und Umweltforschung über die Katastrophenhilfe bis zur Erfassung von Nahrungsmittelproduktion und der Überwachung des Schiffsverkehrs.

Mit lernenden Technologien zum intelligenten Verkehrssystem

Ob im Mischverkehr aus automatisiert und manuell gesteuerten Fahrzeugen oder in Zukunft im vollautomatischen Verkehr – die Vision, dass sich vernetzte Fahrzeuge stets sicher und effizient bewegen, ist ohne komplexe KI-Funktionen und lernende Systeme nicht realisierbar.

Es werden große Mengen an Realdaten aus dem Straßen- und Autobahnverkehr gesammelt, die mit intelligenten Systemen verarbeitet und analysiert werden, Modelle entwickelt und Simulationen verbessert. Dazu betreibt das DLR seit 2014 die Anwendungsplattform Intelligente Mobilität (AIM) in der Braunschweiger Innenstadt und baut aktuell das Testfeld Niedersachsen auf.

Für den Fall, dass ein Unfall trotz allem nicht vermeidlich ist, forschen Wissenschaftler am DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte an intelligenten Crash-Absorbern. KI-gestützt sollen die Fahrzeuge automatisch die stabileren Strukturbereiche ansteuern; beim seitlichen Aufprall also die A- oder B-Säule oder die Achsen. Intelligente Absorber sollen in Sekundenbruchteilen die Knautschzone so anpassen, dass die Passagiere in allen beteiligten Fahrzeugen besser geschützt werden.

Zentral ist auch die Arbeit an Test- und Absicherungsverfahren für automatisierte Fahrzeugfunktionen. Vor ihrem Einsatz in Serienfahrzeugen müssen sie auf Herz und Nieren geprüft und für sicher befunden werden. Dazu bedarf es zuverlässiger Entwicklungs- und Testwerkzeuge, die auf analytischen KI-Methoden basieren. Einen wichtigen Baustein der Absicherung automatisierter Fahrfunktionen bilden die Erkenntnisse aus dem kürzlich abgeschlossenen Projekt PEGASUS, einer Kooperation mit deutschen Automobilherstellern und international beachteten Ergebnissen.

Roboter – Boten zwischen digitaler und physischer Welt

Das DLR-Institut für Robotik und Mechatronik setzt KI als Vorreiter in den verschiedenen Bereichen von Raumfahrt-Assistenz- und planetarer Explorationsrobotik bis hin zu Anwendungen im irdischen Alltag ein, etwa in den Bereichen industrielle Produktion der Zukunft, intelligente Servicerobotik sowie Medizinrobotik und Pflege-Assistenzsysteme.

Die große Anwendungsbreite ist möglich, da Roboter universelle Werkzeuge sind. Durch relativ geringe Anpassungen werden aus Robotern zum Einsatz auf fernen Planeten hochfunktionale Assistenten für Katastrophenhelfer. Aus solchen, die man ursprünglich zur Satellitenwartung entwickelte, werden schnell medizinische Assistenten, beispielsweise in der Chirurgie.

Damit zielt KI in der Robotikforschung auf zentrale und aktuelle gesellschaftliche Fragestellungen. Es geht um Wettbewerbsfähigkeit, Sicherung des Wohlstands sowie um Gesundheit und Pflege – inklusive der verschärfenden Effekte durch den demographischen Wandel.

Bereits erfolgreich wurde METERON Subvis-Justin von Astronauten auf der Internationalen Raumstation ISS aus dem All gesteuert. Mit dem stark KI-gestützten humanoiden Roboter wurde sein ferngesteuerter Einsatz im Szenario "Wartung einer Mond- oder Mars-Kolonie" getestet. Aktuelle Projekte für Anwendungen in Industrie und Pflegeassistenz sind beispielsweise Factory of the Future und SMiLE.

Flugzeuge, Windräder, Karosserien, Raumfahrtsysteme - Mit KI zu fühlenden Strukturen

Flugzeuge sollen immer leichter und damit sparsamer werden, um Kosten und CO2-Emissionen einzusparen. Sie sollen zugleich immer sicherer werden und ihre Wartung effizienter. Zur Verringerung des Gewichts werden zunehmend faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt. Das Hightech-Material ist leicht und äußerst robust.
Im modernen Flugzeug sind tausende Sensoren verbaut. Da verwundert es vielleicht, dass der Zustand der Fahrzeughülle, der Struktur, immer noch ein "blinder Fleck" ist. Überspitzt formuliert, muss der Pilot noch vor dem Start einmal um sein Flugzeug herumgehen und die Hülle in Augenschein nehmen.

Hier setzen die Forscher des DLR-Instituts für Faserverbundleichtbau und Adaptronik an. Das DLR entwickelt Strukturen, die mit einem Netz aus Sensoren ausgestattet werden. Ähnlich wie ein Mensch spürt, dass er verletzt wurde, soll auch die Struktur "fühlen" können, an welcher Stelle und in welchem Ausmaß sie beschädigt ist. Structural Health Monitoring (SHM) nennen die Experten diese Detektion und Lokalisation von Schäden.

Ultraschallwellen werden durch die Struktur geschickt und sie "interagieren" mit ihr. Die Spannungsveränderungen werden dann in visuelle Muster übersetzt. Jeder Zustand der Struktur hat sein ganz spezifisches Muster. Das einer intakten Struktur unterscheidet sich deutlich von dem eines beschädigten Bauteils. Die komplexen Daten aus dem "Nervensystem" müssen korrekt interpretiert werden, um Schäden zuverlässig zu detektieren. Methoden der Künstlichen Intelligenz weisen hier neue Wege auf.

Vorteil dieser Technologie ist, dass ein Bauteil zukünftig nicht mehr ausgebaut und aufwändig untersucht werden muss, um eine Beschädigung festzustellen. Außerdem ist es im Rahmen der sogenannten vorbeugenden Wartung möglich, künftige Schäden vorherzusagen. Dies vereinfacht die Wartung und Instandsetzung, die Sicherheit wird erhöht und die Wartungskosten können deutlich gesenkt werden.

Das Konzept der vorbeugenden Wartung (Predictive Maintenance) und der Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) ist nicht auf Flugzeugstrukturen beschränkt. Es ist auch in Rotorblättern künftiger Windräder einsetzbar, in der Fahrzeugkarosserie oder auch in Raumfahrzeugen und Satelliten.

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