Kann mein Produkt was es können soll – und werden es die Kunden kaufen?
Die Antwort auf diese Frage entscheidet über Erfolg oder Misserfolg einer
Markteinführung. Das Problem: Vor dem Produktstart kennen wir sie nicht.
Die Lösung: Statt sofort teure Prototypen von Autos, Geräten oder
Maschinenkomponenten zu bauen, können Unternehmen durch virtuelle Modelle
in sehr frühen Entwicklungsphasen feststellen, ob ein neues Produkt in
Anmutung und Bedienung für die Kunden attraktiv ist. Forschende des
Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickeln dafür neue Methoden
und Prozesse, die praxisnah in Entwicklung und Lehre angewendet werden.

Kann mein Produkt was es können soll – und werden es die Kunden kaufen?
Die Antwort auf diese Frage entscheidet über Erfolg oder Misserfolg einer
Markteinführung. Das Problem: Vor dem Produktstart kennen wir sie nicht.
Die Lösung: Statt sofort teure Prototypen von Autos, Geräten oder
Maschinenkomponenten zu bauen, können Unternehmen durch virtuelle Modelle
in sehr frühen Entwicklungsphasen feststellen, ob ein neues Produkt in
Anmutung und Bedienung für die Kunden attraktiv ist. Forschende des
Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickeln dafür neue Methoden
und Prozesse, die praxisnah in Entwicklung und Lehre angewendet werden.

„In der Automobilindustrie gehen nicht selten zehn Prozent des gesamten
Entwicklungsbudgets in die Produktion von Prototypen“, sagt Marc Etri
Leiter des XR-Lab am Institut für Produktentwicklung (IPEK) des KIT. „Da
können leicht viele Millionen Euro zusammenkommen.“ Diesen Aufwand wollen
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am IPEK reduzieren: mit Extended
Reality (XR), also Computertechnologien, welche die physische Umgebung um
virtuelle Komponenten erweitern (Augmented Reality, AR), oder diese auch
gänzlich ersetzen (Virtual Reality, VR).

„XR-Technologien erleichtern es uns in allen Entwicklungsphasen –
Produktprofile finden, Konzepte erstellen, präzisieren und realisieren –
Produkte an Kundenwünsche und Marktanforderungen anzupassen“, erläutert
Etri. „Physisch-virtuelle Prototypen können sowohl Entwicklungszeit und
-kosten sparen als auch Fehlern vorbeugen, die oft erst in späteren Phasen
der Entwicklung erkannt werden.“ Als Beispiel zeigt er das
fotorealistische dreidimensionale Modell eines Rennrades, das sich auf
einem Tablet bearbeiten lässt. „Das Design von Laufrädern, Rahmen oder
Sattel kann ich mit einem Click verändern.“ Auch Feinheiten wie Farbe und
Glanzgrad der Sattelstütze oder Struktur des Sitzbezuges wechseln mit
wenigen Klicks auf dem Bildschirm. Die mögliche Detailschärfe des
Programms zeigt Etri am Beispiel einer Armbanduhr: Sogar Fotophänomene wie
Reflektion auf dem Gehäuseglas ändern sich über verschiedene
Designvarianten hinweg und angepasst an die reale Raumbeleuchtung.

„Viele Ingenieurinnen und Ingenieure in der Praxis wissen gar nicht, was
mit AR und VR bereits möglich ist“, konstatiert Professor Albert Albers,
Leiter des IPEK. „Dabei haben es uns die Spieleentwickler längst
vorgemacht“, ergänzt Etri mit Blick auf die populären bildmächtigen
Blockbuster-Titel aus dem Gaming-Bereich. Oft scheitere eine zeitgemäße
kundennahe Produktentwicklung noch an einem uneinheitlichen
Datenmanagement in den beteiligten Abteilungen oder Partnerunternehmen und
der daraus resultierenden mangelnden Durchgängigkeit, sagt Albers. „Wir
können nicht mit Methoden des 20. Jahrhunderts die Lösungen des 21.
Jahrhunderts entwickeln.“  Von den neuen Technologien und Methoden könne
das Ingenieurwesen deutlich profitieren – natürlich auch in der aktuellen
Pandemiesituation: „Denn sie machen auch ein kontaktfreies
standortübergreifendes Arbeiten möglich“, so Albers weiter.

Das Extended Reality Lab in der Lehre am KIT

Deswegen kommt das XR-Lab neben Forschungsprojekten in der
Grundlagenforschung und mit Unternehmen auch in der Lehre zum Einsatz:
„Wir haben im vergangenen Wintersemester erstmals Virtual Reality-Aufgaben
in die Maschinenkonstruktionslehre integriert“, sagt Etri. „Rund 400
Erstsemester aus den Bereichen Maschinenbau, Bio- und Chemieingenieurwesen
sowie Mechatronik konnten so schon früh im Studium die Potenziale der XR-
Technologien in der Produktentwicklung einschätzen lernen.“ Als digitale
Natives falle den Studierenden der Umgang mit diesen Technologien leicht,
glaubt Etri. „Das kann sich im künftigen Berufsleben massiv auf die Wahl
ihrer präferierten Ingenieurtools auswirken.“

Im XR-Lab wird die VR-Software Cross Connected des Karlsruher Start-ups
R3DT, einer Ausgründung aus dem KIT, eingesetzt. (mex)

Video zum XR-Lab am KIT: https://youtu.be/ygkcKbVDxSc

Kontakt für diese Presseinformation:

Margarete Lehné, stellv. Pressesprecherin, Tel.: +49 721 608-41157,
E-Mail: <Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein.>

Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und
vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den
globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie,
Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 600
Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in
Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften
zusammen. Seine 23 300 Studierenden bereitet das KIT durch ein
forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle
Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die
Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und
Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und
Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der
deutschen Exzellenzuniversitäten.

Die Bewertung und die Verbesserung des Sicherheitsempfindens der in
Städten lebenden Bevölkerung waren die zentralen Zielstellungen des
kürzlich abgeschlossenen Projekts Stadtsicherheit-3D. Es lief von März
2018 bis Mai 2021 und wurde im Zuge der Bekanntmachung „Zukünftige
Sicherheit in Urbanen Räumen“ des Bundesministeriums für Bildung und
Forschung im Rahmen des Programms „Forschung für die zivile Sicherheit“
gefördert (www.sifo.de). Ergebnisse des Projektes sind unter anderem eine
online unterstützte Software und ein Handlungsleitfaden als
Entscheidungshilfen für räumliche Sicherheitsbewertungen.

Die Wahrnehmung öffentlicher Räume als „sicher“ oder „unsicher” ist von
vielfältigen und oftmals individuellen Aspekten abhängig. Dies können
gestalterische, sozialräumliche oder baulich-räumliche Faktoren sein,
welche die Sicherheitswahrnehmung verschiedener Personengruppen direkt
oder indirekt beeinträchtigen. Zur Bewertung und Verbesserung dieses
Sicherheitsgefühls sind Orte zu identifizieren, die (potenziell)
beunruhigend wirken. Im Projekt Stadtsicherheit-3D wurde dazu ein
Softwaretool entwickelt, welches auf vorhandene dreidimensionale
Stadtmodelle angewandt wird. Für die Bewertung von Räumen und zur
Entwicklung des Tools wurden exemplarisch drei Fallstudiengebiete in
Berlin herangezogen.

Faktoren für die Wahrnehmung von Unsicherheit

Der Schwerpunkt des Projekts lag auf der Lokalisierung von Orten, die
subjektiv als dunkel, nicht einsehbar und nicht hörbar wahrgenommen
werden. Ein Katalog typischer baulich-räumlicher, planerischer sowie
sozialer Faktoren wurde entwickelt, der mögliche Gründe für Sicherheits-
beziehungsweise Unsicherheitswahrnehmungen bei Bürger:innen in urbanen
Räumen identifiziert und operationalisiert. Die Erfahrungen von
recherchierten Best-Practice-Beispielen und die Ergebnisse von konkreten
Vor-Ort-Messungen in drei Fallstudiengebieten in Berlin flossen in die
Erstellung von Algorithmen einer software-gestützten Planungshilfe ein,
welche auf vorhandene dreidimensionale Stadtmodelle angewandt werden kann.

Tool als Planungs- und Gestaltungshilfe

Erstmals wurde damit ein auf digitalen Daten basierendes Softwaretool
entwickelt, mit dessen Hilfe Sicherheitsbewertungen bezüglich des
subjektiven Sicherheitsempfindens systematisch und empirisch basiert
vorgenommen werden können. Das Tool hilft somit insbesondere
Stadtplaner:innen sowie Sicherheitsexpert:innen bei der Gestaltung von
mehr Sicherheit in urbanen Räumen und lässt sich zudem in partizipativen
Entscheidungsprozessen einsetzen.

Begehungen mit Betroffenen

In drei Berliner Fallstudiengebieten, welche funktionell, strukturell und
städtebaulich sehr unterschiedlich geprägt, europaweit jedoch
repräsentativ sind, wurden Begehungen mit Anwohner:innen und
Besucher:innen durchgeführt: auf dem Alexanderplatz, in der High-Deck-
Siedlung in Berlin-Neukölln und in einem innerstädtischen Wohnviertel in
Moabit West. Die Befragten machten Angaben darüber, an welchen Orten oder
Plätzen sie sich durch mangelhafte Beleuchtungen, eingeschränkte
Sichtbarkeiten oder schlechte Hörbarkeit unsicher fühlen. Die genannten
Orte wurden fotografiert und zusammen mit Messungen zu Helligkeit, Lärm
und Entfernung in sogenannten Hybrid Maps dokumentiert.

Beispiel Sichtbarkeit

Zur Sichtbarkeitsberechnung kann im 3D-Modell ein beliebiger Raum
ausgewählt werden, für den die Analyse mit dem genannten Tool durchgeführt
werden soll. Der ausgewählte Raum wird dann automatisiert mittels eines
Gitters in kleine Elemente unterteilt. Dann werden die
Sichtbarkeitspolygone für jeden Mittelpunkt des jeweiligen Elements
bestimmt. Für jeden Punkt auf der Karte wird die Anzahl der Elemente
ermittelt, welche diesen Punkt sehen. Im Ergebnis visualisiert die
Simulation unterschiedliche Sichtbarkeits-Niveaus des gewählten Raums
durch unterschiedlich farbige Flächen.

Tool für Sicherheitsbewertungen

Für den praktikablen Einsatz der im Projekt entwickelten Analyse- und
Berechnungsverfahren durch Stadtplaner:innen, Expert:innen aus dem Bereich
Kriminalprävention oder Behörden und Organisationen mit
Sicherheitsaufgaben wurde auf Grundlage einer bewährten Programmoberfläche
(VC Map) ein Planungstool als Online-Anwendung entwickelt. Es ermöglicht
das Navigieren in detaillierten 3D-Stadtmodellen und bietet die
Möglichkeit, die Hörbarkeit und Sichtbarkeit von Orten zu simulieren,
Planungsalternativen zu analysieren und sozialräumliche Aspekte der
Sicherheitswahrnehmung zu dokumentieren. Mit der Anwendung ist nicht nur
ein Demonstrator für die Sicherheitsbewertungen im urbanen Raum
entstanden, sondern auch ein neues Werkzeug, das sich in bestehende
Anwendungen integrieren lässt.

Die subjektive Sicherheitswahrnehmung im Blick

Der aktuell erschienene Handlungsleitfaden „Stadtsicherheit-3D. Die
subjektive Sicherheitswahrnehmung im Blick“ fasst die Ergebnisse kurz
zusammen und zieht als Fazit eine Reihe von Handlungsempfehlungen, die
sich an verschiedene Akteursgruppen richten. Er steht auf der Webseite des
Projekts (www.stadtsicherheit-3d.de) zum Download zur Verfügung.

Intensiver Praxisdialog

Das Projekt Stadtsicherheit-3D war inter- und transdisziplinär angelegt,
basierend auf einem intensiven Praxisdialog mit Sicherheits- und
Planungsexpert:innen sowie Bürger:innen, deren Kenntnisse und Erfahrungen
im Rahmen von knapp 100 Interviews, zahlreichen Workshops und Praxistests,
einer online-Befragung und der genannten Vor-Ort-Begehungen eine wichtige
Grundlage für die Projektarbeit gebildet haben. Zudem haben vier
Unternehmen bzw. Organisationen das Projekt intensiv als Praxispartner
begleitet: Weeber+Partner, Institut für Stadtplanung und Sozialforschung
aus Berlin, u.a. mit dem Quartiersmanagement High-Deck-Siedlung in
Neukölln, die S.T.E.R.N. GmbH aus Berlin mit dem Quartiersmanagement
Moabit West, die Zentralstelle für Prävention am Landeskriminalamt Berlin
und das DPT-Institut für angewandte Präventionsforschung (DPT-I) des
Deutschen Präventionstags aus Hannover. Am Forschungskonsortium waren
neben dem Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut,
EMI aus Freiburg als Konsortialleiter, das Leibniz-Institut für
Raumbezogene Sozialforschung e. V. (IRS) aus Erkner, die Virtual City
Systems GmbH aus Berlin und das inter 3 Institut für Ressourcenmanagement
(ebenfalls aus Berlin) beteiligt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI/ Am
Klingelberg 1/ 79588 Efringen-Kirchen/ Jörg Finger/ Telefon +49 7628
9050-782/ Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein.

Originalpublikation:
Forschungsverbund Stadtsicherheit-3D – Bewertung und Verbesserung der
urbanen Sicherheit mithilfe von semantischen 3D-Stadtmodellen (Hg.)
(2021): Stadtsicherheit-3D. Die subjektive Sicherheitswahrnehmung im
Blick: ein Handlungsleitfaden für Sicherheitsbewertungen mittels einer 3D-
Planungshilfe. Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-
Institut, EMI. Freiburg.

Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligten der Technischen
Universität Braunschweig hat ein standardisiertes Register für die Arbeit
mit künstlicher Intelligenz (KI) in der Biomedizin vorgeschlagen, um die
Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu verbessern und Vertrauen in die
Benutzung von KI-Algorithmen in der biomedizinischen Forschung und
zukünftig auch im Klinikalltag zu schaffen. Ihren Vorschlag haben die
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature
Methods“ präsentiert.

In den letzten Jahrzehnten konnten aufgrund neuer Technologien
verschiedenste Systeme entwickelt werden, die z. B. in der Krebsforschung
riesige Mengen von biomedizinischen Daten erzeugen können. Parallel dazu
entwickelten sich völlig neue Möglichkeiten, diese Daten mit Methoden der
künstlichen Intelligenz zu untersuchen und auszuwerten. Beispielsweise
können KI-Algorithmen auf Intensivstationen anhand großer Datenmengen von
mehreren Überwachungssystemen frühzeitig ein Kreislaufversagen
vorhersagen, indem sie viele komplexe Informationen aus verschiedenen
Quellen gleichzeitig verarbeiten, was die menschlichen Fähigkeiten weit
übertrifft.

Dieses große Potential von KI-Systemen führt zu einer unüberschaubaren
Anzahl von biomedizinischen KI-Anwendungen, die sich aber nicht immer an
bewährte Verfahren halten oder über deren Funktionsweise, verwendete
Algorithmen oder die Datenherkunft in wissenschaftlichen Publikationen nur
unvollständige Angaben gemacht werden. Dadurch werden die Beurteilung und
umfassende Vergleiche von KI-Modellen erschwert.

Die Entscheidungen der KIs sind nicht immer nachvollziehbar und es
entstehen Ergebnisse, die nicht vollständig reproduzierbar sind. Diese
Situation ist natürlich gerade in der klinischen Forschung unhaltbar, da
hier das Vertrauen in KI-Modelle und transparente Forschungsberichte von
entscheidender Bedeutung sind, um die Akzeptanz von KI-Algorithmen zu
steigern und verbesserte KI-Methoden für die biomedizinische
Grundlagenforschung zu entwickeln.

Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung der Abteilung Data
Science in Biomedicine des Peter L. Reichertz Instituts für Medizinische
Informatik (PLRI) hat zur Lösung dieses Problems das Register AIMe
(“registry for artificial intelligence in biomedical research”)
vorgeschlagen. Das von der Wissenschaftsgemeinschaft betriebene Register
ermöglicht es, Autorinnen und Autoren neuer biomedizinischer KI-Methoden
leicht zugängliche, durchsuchbare und zitierfähige Berichte zu erstellen.
Diese Berichte können von der wissenschaftlichen Gemeinschaft untersucht
und geprüft werden.

Das frei zugängliche Register ist unter https://aime-registry.org abrufbar
und besteht aus einem anwenderfreundlichen Webdienst, der durch den AIMe-
Standard führt. Damit können Nutzerinnen und Nutzer von biomedizinischer
KI vollständige und standardisierte Berichte zu den verwendeten KI-
Modellen erstellen, indem alle relevanten Informationen zu der KI-
Anwendung abgefragt werden. Im Anschluss an die Eingabe wird eine
eindeutige AIMe-Kennung erstellt, die dafür sorgt, dass der Eintrag
langfristig auffindbar bleibt und in Publikationen angegeben werden kann.
Dadurch können Autorinnen und Autoren in Artikeln für Fachzeitschriften
auf die aufwendige Beschreibung aller Facetten der verwendeten KI
verzichten und einfach auf den Eintrag im AIMe-Register verweisen.

Da das Register als eine von der Wissenschaftscommunity betriebene
Webplattform konzipiert ist, kann jede Nutzerin und jeder Nutzer zu
bestehenden Einträgen Fragen stellen, Kommentare abgeben und
Verbesserungen vorschlagen. Dieses Feedback aus der wissenschaftlichen
Gemeinschaft wird auch in der jährlichen Aktualisierung des AIMe-Standards
aufgenommen und interessierte Forschende können dem AIMe-Lenkungsausschuss
beitreten, um sich stärker in die weitere Standardisierung der
biomedizinischen KI einzubringen.

„Im AIMe-Register können nicht nur neue KI-Methoden in zitierfähiger Form
registriert werden. Sie können auch nach vorhandenen Methoden für ihr
spezifisches Anwendungsgebiet suchen. Sie müssen also das Rad nicht jedes
Mal neu erfinden und können sich sicher sein, dass die benutzte KI-Methode
ordentlich evaluiert ist und sich an die AIMe-Standards hält. KI
Entwickler wie auch KI Anwender werden immens vom AIMe-Register
profitieren“, berichtet Professor Tim Kacprowski, Leiter der Abteilung
Data Science in Biomedicine des PLRI und Mitglied des Braunschweiger
Zentrums für Systembiologie (BRICS).

Mobilität muss wettbewerbsfähig sein, nachhaltig und sicher. Leichtbau
spielt dabei eine große Rolle. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
des Fraunhofer LBF erforschen seit über 80 Jahren die Leichtbaupotenziale
von Fahrzeugen und ihren Komponenten. Auf der »IAA Mobility« in München,
7. bis 12. September, präsentieren sie völlig neue Ansätze des
nachhaltigen, zuverlässigen Leichtbaus für klimafreundliche Mobilität. Mit
dem »Lasten-LeichtBauFahrrad« (L-LBF) und dem »Batteriegehäuse im
Schachbrettdesign« wurden nachhaltige Werkstoffe, eine leichte
Rahmenkonstruktion, höhere Batteriekapazität, effiziente
Fertigungsverfahren und weitere funktionsintegrierte Lösungen realisiert.

Die bereichsübergreifenden Forscherteams im Fraunhofer-Institut für
Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF erarbeiten kontinuierlich
innovative Lösungen für effiziente Entwurfs-, Simulations- und
Absicherungswerkzeuge. Die Gestaltung, Bewertung und Modellierung von
Prozessen in der Produktentwicklung, die Beherrschung von Unsicherheiten
entlang der Wertschöpfungskette sowie nachhaltige Lösungen für
Kunststoffe, deren Recycling und biobasiertem Aufbau, stehen dabei im
Fokus.

Funktionsintegrierter Leichtbau am Beispiel Lastenfahrrad

Ein Forscherteam hat im Projekt »L-LBF«, basierend auf eigens
durchgeführten Fahrbetriebsmessungen sowie Ausgangsdaten über Masse und
Geometrie des gewählten kommerziellen Lastenrades, CAD-Modelle erstellt
und davon FE-Modelle abgeleitet. Diese wurden für die Entwicklung des
neuen Leichtbaurahmens verwendet. Der Clou dabei ist nicht nur die
Massereduzierung um knapp 40 Prozent im Vergleich zum Ausgangslastenrad,
sondern auch, dass in das Herzstück des Rahmens, einem zentralen
Hohlprofilträger aus hochfester Aluminiumlegierung, ein ebenfalls in
diesem Projekt entwickeltes Batteriesystem diebstahlsicher und
witterungsbeständig ohne zusätzliches Gehäuse integriert werden kann. Das
Batteriesystem weist die doppelte Speicherkapazität zum regulär
verwendeten Akkusystem auf.
Weitere Entwicklungsergebnisse aus den Bereichen der Sensorintegration in
das Lastenrad, wie auch der nachhaltigen Transportboxsysteme werden auf
der IAA präsentiert. Darüber hinaus bieten die umgesetzten Features hohes
Potenzial für viele Anwendungen in unterschiedlichen Branchen, wie
Maschinenbau, Medizin oder auch Urban Air Mobility.

Das innovative Lastenrad ist auf dem Fraunhofer-Stand im Open Space am
Königsplatz 185 zu sehen. Dr. Saskia Biehl, die das »L-LBF«-Projekt am
Fraunhofer LBF leitet, präsentiert Details dazu im Rahmen von „Let’s talk
Mobility“, dem Preview-Event zur IAA 2021, Dienstag, 7. September 2021,
10.00-10.45 Uhr.

Über die Fortschritte des Projekts »Lasten-LeichtBauFahrrad« informiert
eine eigene Webseite unter www.lbf.fraunhofer.de/L-LBF

Leichtbau von Batteriegehäusen: neues Fertigungsverfahren für integriertes
Thermomanagement

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer LBF haben ein
kosteneffizientes Leichtbau-Batteriegehäuse aus polymerbasierten
Werkstoffen entwickelte. Die Gehäusestruktur besteht aus einem
Polymerschaumkern und endlosfaserverstärkten Thermoplasten (CFRTP) als
verstärkende Deckschichten, die mit einem neuartigen Fertigungsverfahren
verbunden werden. Zur Vorhersage des Bauteilverhaltens während der
Herstellung wurden verschiedene Simulationsmethoden entwickelt. Die
Sicherheit und Zuverlässigkeit des Batteriegehäuses wird anhand
realitätsnaher Anforderungen im Fraunhofer LBF untersucht. Zusehen in:
Summit Halle B1 / C 60.
Über die Entwicklungen des Projekts »GHOST« informiert eine eigene
Webseite unter www.lbf.fraunhofer.de/ghost