Mecha-Info-Tronik: Ein Stück Geschichte

Früher gab es keine E-Bikes, keine Smartphones und keine Photovoltaik. Zeichnungen wurden am Reissbrett in 2D erstellt usw. Das war zwar alles im letzten Jahrhundert, ist aber im Grund noch gar nicht so lange her! Im Gegensatz zu heute musste man jedoch z.B. die Messwerte von einem Instrument ablesen, aufschreiben und die Diagramme von Hand zeichnen. Von unterwegs jemanden anzurufen war nur von einer Telefonzelle aus möglich.

Heute stehen uns für viele Aufgaben smarte Helfer zur Verfügung, zum Beispiel im Bereich der Kommunikation, der Produktion, der Datenverarbeitung und auch in der Ausbildung. Es sind neue Begriffe und Möglichkeiten aufgetaucht, wie additive Fertigung, Cobots (kooperierende Roboter), IoT (Internet of Things) usw. In wenigen Jahrzehnten hat sich vieles verändert.

Dazu gelten folgende Grundlagen:

  • Mathematische Beschreibung und Untersuchung der Systemdynamik. Die Mathematik trägt mit effizienten Algorithmen dazu bei. Rechnerunterstützte Entwicklungswerkzeuge für die Ingenieure erlauben es, näher an die (physikalischen) Grenzen zu gehen. Man muss dafür jedoch diese Grenzen auch genauer kennen. Dies erlaubt Einsparungen an Material und Energie und ermöglicht ausserdem ein besseres dynamisches Verhalten. Typische Beispiele sind parallele und serielle Kinematik z. B. für Handling-Systeme.
  • Signalverarbeitung dank hoher Rechenleistung und viel Speicher auf kleinem Raum eröffnet neue Einsatzmöglichkeiten, auch dank «dezentraler Intelligenz». Dies ermöglicht z.B. die dauernde Überwachung von Systemen sowie die dynamische Kompensation von Sensoren.
  • Das Zusammenwachsen von Maschinentechnik früher «Mechanik») und Elektronik. Seit gut 40 Jahren werden entsprechende Systeme unter dem Begriff Mechatronik zusammengefasst. Obwohl die technische Informatik dank miniaturisierter Hardware heute in sehr vielen Produkten enthalten ist, wurde der Begriff Mechatronik beibehalten. Geregelte elektrische Antriebe, die man früher aus Einzelkomponenten Sensoren, Getriebe, Steuerung, Überwachung) selbst zusammenstellte, sind heute als Einheit verfügbar. Produkte wie z.B. Roboter sind mechatronische Systeme, bei denen alle Teilsysteme sinnvoll zusammenarbeiten müssen. Ein weiteres Beispiel ist die additive Fertigung von Bauteilen. Sie ist ohne präzise mechatronische Produktionseinrichtung nicht denkbar.

Allerdings sind die Systeme wesentlich komplexer geworden und die Änderungsrate hoch. Trotzdem gilt es die Zusammenhänge zu verstehen, die Systeme zu dokumentieren und zu betreiben inkl. Wartung sowie Verwaltung der Daten. Die Sicherheit (Safety und Security) dieser Systeme stellt hohe Anforderungen.

Ein Blick in die Zukunft

Noch nie waren die Möglichkeiten für Innovationen in allen Bereichen so gross wie heute. Man spricht vom Zeitalter der Digitalisierung bzw. der 4. industriellen (R)Evolution (Industrie 4.0, in der Schweiz wurde vor zwei Jahren die Plattform Industrie 2025 aufgebaut). Digitalisierung der im Allgemeinen analogen Welt bedeutet jedoch: Alles wird in Zahlen abgebildet, und dabei gehen Informationen verloren. Es ist deshalb von entscheidender Bedeutung, dass sämtliche wesentlichen Eigenschaften berücksichtigt werden.

Der sogenannte «digitale Zwilling» ist ein mathematisches Modell bzw. eine vereinfachte Nachbildung eines Systems für spezifische Analysen. Es muss validiert werden, bevor es für Simulationen eingesetzt wird. Der Vorteil liegt jedoch darin, dass es sich als sogenanntes CPS (cyber-physisches System) vielseitig einsetzen lässt. Lernfähige Systeme brauchen zu Beginn Vorgaben fürs Lernen, können sich im Idealfall allerdings an neue Situationen individuell anpassen.

Vorteile und Risiken

Obwohl oder gerade weil die Änderungsrate heute sehr hoch ist, sind Grundlagenwissen und –erfahrungen zentral, denn auf diesen lässt sich aufbauen. Zusätzlich braucht es individuelle Weiterbildungen «on the job», da die Anforderungen sehr unterschiedlich sind. Kommunikation bleibt wichtig, nicht nur von Mensch zu Mensch, sondern auch zwischen Mensch und Maschine. Klare und eindeutige Formulierungen könnten in naher Zukunft unter Umständen sogar die Code-Entwicklung von Software unterstützen. Flexibilität und gesunder Menschenverstand sind nach wie vor wichtig. Die grenzüberschreitenden Fernwirkungsmöglichkeiten beinhalten, neben vielen Vorteilen, jedoch andere Risiken als früher. So muss der Schutz vor Missbrauch und Sabotage bei Hard- und Software stets im Auge behalten und Sabotage so weit wie möglich verhindert werden.

Sogar der Traum vom Perpetuum mobile kreist noch immer in den Köpfen. Auch wenn sich dieser Traum nicht realisieren lässt, so können neue Ideen doch zu zukunftsträchtigen Innovationen führen.

 

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Text: Prof. Heinz Domeisen
Foto: Christian Reil auf Pixabay

 

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