Bienen als Vorbild für intelligente Mikrochips

Netzwerk der Systeme.Der Mensch wird in naher Zukunft von etwa hundert Sensoren umgeben und gesteuert. Bei der CPS Week in Wien wird die Digitalisierung unseres Alltags im Mittelpunkt stehen.

Biene sammelt Bluetenstaub
Biene sammelt Bluetenstaub
(c) BilderBox.com (BilderBox.com)

Die sichtbaren Computer werden verschwinden“ und: „Mit den Mikrochips wird alles intelligenter.“ Thomas Henzinger, Präsident des Institute of Science and Technology (IST) Austria, skizziert bereits eine neue, von Mikrochips veränderte Welt. Wird da nicht der einzelne Anwender entmündigt, wenn ihm elektronische Schaltkreise alle Entscheidungen abnehmen? „Im Gegenteil, so Henzinger, „der Einzelne wird über mehr Zeit verfügen, er kann mehr unternehmen.“

Mehr als 1000 Wissenschaftler werden in der kommenden Woche in Wien bei der CPS Week 2016 über die Zielsetzungen und nächsten Forschungsschritte einer vernetzten Welt referieren und diskutieren. Ausgerichtet wird die Tagung vom Institut für Technische Informatik der TU Wien, IST Austria und dem Austrian Institute of Technology (AIT).

Österreich wird in diesem Bereich eine international führende Rolle attestiert, „weil hier zahlreiche österreichische Universitäten, außeruniversitäre Einrichtungen und auch einige Fachhochschulen forschen“, sagt Radu Grosu, an der TU Wien Vorstand des Instituts für Technische Informatik und Leiter der CPS-Group.

Und zudem sei in Österreich eine äußerst starke Industrie vorhanden, die CPS-Prozessoren und deterministische Kommunikationsnetzwerke bis hin zu Sensoren und Aktuatoren produziert. Österreich sei eine Drehscheibe für unterschiedlichste Industriezweige – auf den Gebieten Wasser/Abwasser, Lebensmittel, Kfz-Innovationen, Energie, Pharma oder Petrochemie – geworden. Oder für den medizinischen Bereich wie etwa bei der Entwicklung neuer Herzschrittmacher.

 

Wie das Schwärmen der Bienen

Grosu und sein Forscherteam sind z. B. in einer Kooperation mit Infineon Austria verbunden, bei der es um die Entwicklung analog-digitaler Prozessoren für Airbags geht. Wichtig ist dabei das Zusammenspiel der kybernetischen Komponente (Programmsteuerung) mit dem analogen (physikalischen) Teil. Die Prozessoren müssen so gesteuert werden, dass der Airbag bei starken Vibrationen oder bei massiven Unebenheiten im freien Gelände nicht aktiviert wird. In einem Auto seien heute schon etwa 40 Prozessoren, 60 Sensoren und 40 Aktuatoren (physikalische Wirkungen) vorhanden, sagt der TU-Professor.

Radu Grosu spricht von einem Netzwerk der Systeme. In seinen Ausführungen nimmt der TU-Professor Anleihe beim Schwarmverhalten der Bienenvölker: „Monolithische Systeme sind anfällig für Defekte, sie werden von sogenannten Terra-Schwärmen ersetzt, die wiederum lernfähig, anpassungsfähig und robust agieren werden.“ Daher wird auch die Gehirnforschung solche Systeme stark beeinflussen, In-silico-Schwärme (computergesteuerte Informationen) von Neuronen und Synapsen werden diese Systeme mit Intelligenz versorgen. Systeme, die heute noch anfällig für Defekte sind, werden durch derartige Schwärme ersetzt, die selbst lernfähig sein werden.

Um die Lernfähigkeit der Schwärme geht es in der nächsten Forschungsetappe, also um die Modellierung, Analyse und Steuerung von cyberphysikalischen und biologischen Systemen. TU-Professor Radu: „Bei der Modellierung wollen wir fundamentale Aspekte von cyberphysikalischen Systemen harmonisieren.“ Darunter fällt z. B. die Raum-Zeit-Komponente mit ihrer unterschiedlichen Granularität, die in solchen Systemen auftretende Unsicherheit, die analoge Dualität, Komplexität, Sicherheit und Robustheit sowie Intelligenz.

Bis zum Jahr 2020, so die Prognose von Radu Grosu, werden etwa 1000 Systeme auf einen Menschen entfallen. Diese werden zum Großteil nicht von der Einzelperson selbst getragen, sie sind im Gebäude und Haushalt vorhanden, im eigenen Auto, in der gesamten Umgebung. Die Chips zeigen an, was im Kühlschrank fehlt und ob die Kleidung nicht schon in die Wäscherei sollte. Die künftigen Mikroprozessoren informieren die Maschinen, also die Roboter, was schon gemacht wurde und was noch zu tun ist.

An der TU Wien hat man den Schritt in die angewandte Forschung vollzogen. Die CPS Group ist unter anderem in zwei amerikanischen Projekten sowie acht europäischen und sechs österreichischen Projekten eingebunden. In allen Fällen steht die Erstellung von Sensoren und Aktuatoren im Mittelpunkt. Schon Grosus Vorgänger am Institut, Hermann Kopetz, hat die Computertechnikfirma TTTech gegründet, die sich zuverlässigen Netzwerklösungen verschrieben hat.

 

Nun auch Schutz vor Attacken

Anders als an der TU Wien hat sich Thomas Henzinger – von Grosu als „einer der Gründungsväter der CPS“ bezeichnet – der Grundlagenforschung verschrieben. Die Henzinger-Gruppe am IST Austria entwirft mathematische Modelle, deren Anwendungen man derzeit noch nicht präzise bestimmen kann.

Im Besonderen geht es Henzinger um das Erkennen von möglichen Fehlerquellen und deren Minimierung bis fast gegen null. „Jedes Flugzeug wird mittels der Software geflogen, jetzt aber steht auch der Schutz gegen Attacken im Fokus“, sagt Henzinger.

Hunderte Mikroprozessoren befinden sich in einem Auto, ein Vielfaches im Cockpit eines Flugzeugs. Wird die kaum überblickbare Zahl an Sensoren unser Leben verteuern? „Nein“, sagt Henzinger, „die Chips werden nicht nur leistungsfähiger, sie werden auch billiger werden.“ Das verhalte sich so wie mit den Kosten für einen Kühlschrank vor 60 Jahren oder jenen für einen Computer vor zehn Jahren im Vergleich zum derzeitigen Preisniveau.

LEXIKON

Cyber-Physical Systems. Unter CPS versteht man das Zusammenwirken einer Software mit physischen Komponenten in einem integrierten System – also einem Zusammenspiel von Informatik und Physik.

Die CPS Week 2016 findet vom 11. bis 14. April in Wien statt. Innerhalb dieser Tagung gibt es vier Einzelkonferenzen, Dabei wird die Harmonisierung hybrider Systeme (unterschiedlicher Zweige der Mathematik), die Vernetzung und Anwendung sowie der Zeitfaktor (Real Time System) diskutiert. Zudem sind 21 Workshops, drei Summits und ein Treffen mit Industrie und Wirtschaft angesetzt.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 09.04.2016)

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