Künftige Herausforderungen der Technischen Informatik

Fragen wie diese stehen im Fokus einer Grand-Challenge-Initiative der Gesellschaft für Informatik (GI) und der Informationstechnischen Gesellschaft im VDE (ITG), in der aktuelle Forschungs- und Entwicklungstrends der Technischen Informatik aufgezeigt werden.

Als „Grand Challenges der Technischen Informatik“ wurden von den Experten insgesamt acht Themenbereiche eruiert. Diese bilden die Schlüsseltechnologien („Enabling Technologies“) für zukünftige industrielle Anwendungen und erfordern, mit Nachdruck erforscht zu werden. Die drei Hauptanwendungsgebiete können unter dem Oberbegriff „Smart Machines and Environments“ betrachtet werden und sind im Einzelnen:

• Ambient Assisted Living
• Smart Mobility
• Service-Roboter
Dabei steht Ambient Assistant Living für Assistenzsysteme im Gesundheits- und Lebensbereich. Ähnliche technische Anforderungen stellen sich auch für Krankenzimmer und Operationssäle im Krankenhaus, Reha-Kliniken, Seniorenheime und Seniorenwohnungen, Fitnesstrainer und andere Anwendungen.

Automatisches Erkennen kritischer Situation
Das Ziel des „Ambient Assisted Living“ ist es, durch den Einsatz neuer Technologien die Umgebung, in der sich ältere Menschen aufhalten, so zu gestalten, dass für die betroffenen Personen ein hoher Grad an Selbständigkeit erhalten werden kann, ihre Sicherheit erhöht wird und die Kommunikation mit ihrem sozialen Umfeld verbessert wird. Unsere Zukunftsszenarien betreffen deshalb eine Vielzahl von Überwachungs-, Diagnose- und Therapiegeräte, die teilweise am Körper getragen werden, drahtlos miteinander und mit ortsfesten Geräten bzw. einer medizinischen Datenbank kommunizieren. Die medizinischen Geräte werden vielfach batteriebetrieben sein und müssen den Anforderungen eines geringen Energieverbrauchs und der Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit bei der Herstellung, im Betrieb und bei der Entsorgung genügen. Diese Geräte sollen sich mit Hilfe von Techniken der Selbstorganisation, wie sie im Bereich Organic Computing erforscht werden, selbständig zu einem Gesamtsystem zusammenfügen und verwalten. Im Gegensatz zu heute noch weitgehend unverbundenen und meist stationären Geräten wird den Betroffenen eine größere Bewegungsfreiheit ermöglicht. Automatisches Erkennen von potentiell kritischen Situationen und die Ableitung von Handlungsoptionen und -vorschlägen erlauben präventive und praktische Unterstützung.

Persönlichkeitsschutz, Sicherheit und Vertrauenswürdigkeit sind dabei wichtige Voraussetzungen. Für die Akzeptanz bei den betroffenen Personen spielt auch die unaufdringliche Nutzung der Geräte eine wesentliche Rolle.

Die Herausforderung für die Technische Informatik besteht darin verteilte, dynamisch konfigurierbare Systeme aus Sensoren, Aktuatoren und Verarbeitungseinheiten zu entwerfen. Diese Systeme müssen robust, zuverlässig, sicher und vertrauenswürdig sein sowie stromsparende und miniaturisierte Komponenten enthalten. Die Schnittstellen zu den Nutzern müssen ergonomischen Gesichtspunkten im Hinblick auf Nutzung durch Senioren und kranken Menschen genügen.

Mobilitätsanspruch und Umweltschutz vereinen

Smart Mobility durch Car-to-Car- und Car-to-Infrastructure-Kommunikation bezieht sich auf den gesamten Automobilbereich mit dem Ziel, künftige PKWs sicherer, komfortabler, robuster und vor allem umweltfreundlicher zu bauen. Automobiltechnologie als tragende Lösung für den Individualverkehr muss sich insbesondere den Herausforderungen der Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit stellen:

• Umweltverträglichkeit: Hier ist insbesondere eine signifikante Reduktion der Schadstoffemission durch bessere Katalysatortechnik bzw. alternative Antriebstechnik gefordert.

• Nachhaltiger Ressourceneinsatz: Konkret bedeutet dies eine drastische Verbrauchsreduktion und effizientere Nutzung des Kraftstoffs sowie zunehmendem Einsatz von Hybridtechnologie wegen der schwindender Erdölvorkommen.

• Schutz und Integrität aller Verkehrsteilnehmer: Hier sind insbesondere weiterführende Ansätze in den Bereichen der aktiven Unfallvermeidung und des Personenschutzes bei Unfällen gefragt.

• Erhöhung des Fahrkomforts: Durch besseren Fahrkomfort wird ein entspannteres und damit sicheres Reisen ermöglicht.

• Erhaltung der Mobilität: Trotz steigender Komplexität der Elektronik muss die Automobiltechnik zuverlässig funktionieren, um die Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten.

Hochleistungsfähige Prozessoren und Steuergeräte sind notwendige Voraussetzung für umweltfreundliche und energieeffiziente Technologien im Kraftfahrzeug. Hier ist insbesondere der Einsatz von Multi-Core-Prozessoren in den Steuergeräten notwendig. Solche für den Einsatz in Kraftfahrzeugen geeigneten Prozessoren müssen jedoch erst noch entwickelt werden. Weiterhin müssen geeignete echtzeitfähige und standardisierte Betriebssysteme entwickelt und die komplexen Steuerungsalgorithmen parallelisiert und angepasst werden.

Newcomer mit hohen Wachstumsraten

Service-Roboter stecken im Vergleich zu anderen Entwicklungen vergleichsweise noch in den Kinderschuhen. Sie sollen künftig im Haushalt, in Bürogebäuden und in öffentlichen Gebäuden eingesetzt werden eingesetzt werden, um Routinearbeiten oder Reinigungsarbeiten zu erledigen. Nach einer Erhebung der International Federation of Robotics (IFR) waren bis Ende 2004 ca. 25.000 Service-Roboter weltweit im Einsatz. Mit 21% stellen die Unterwasser-Roboter die größte Gruppe dar, gefolgt von Reinigungs- und Labor-Robotern mit jeweils 14% sowie Bau- und Abriss-Robotern mit 13%. Medizinische Roboter und mobile Plattformen sind mit jeweils 11% vertreten, Feld-Roboter (z. B. Melk-Roboter oder Roboter für Waldarbeiten) mit 9% und schließlich Roboter für Verteidigungs-, Sicherheits- und Rettungszwecke mit 5%. Die restlichen 2% sind sonstige Anwendungen wie Logistik, Inspektion z.B. von Rohrleitungen oder Werbeeinsätze z.B. als Museumsführer.

Dieser Markt weist ein sehr großes Wachstum auf: Haushaltsroboter sind erst seit 2001 auf dem Markt, mehr als die Hälfte der 1,2 Mio. Exemplare wurde erst 2004 installiert. Die Prognosen bis zum Jahr 2008 sagen ein weiteres starkes Anwachsen voraus. Von 2005-2008 wird die Installation von 50.000 neuen Service-Robotern sowie 7 Mio. neuen Haushalts- und Freizeit-Robotern für den persönlichen Gebrauch erwartet. Deutschland nimmt bei den traditionellen Industrie-Robotern nach Japan und noch vor den USA einer Statistik des Internationalen Roboterverbandes IFR (International Federation of Robotics) eine Spitzenposition ein.

Robotik ist ein sehr interdisziplinäres Gebiet zwischen Maschinenbau, Automatisierungstechnik, Informatik und den einzelnen Anwendungsgebieten. Eine Schlüsselstellung nehmen dabei verteilte eingebettete Systeme ein. Bereits heute sind in einem Service-Roboter typischerweise eine ganze Reihe von vernetzten Mikrocontrollern und teilweise auch Spezialhardware im Einsatz.

Ein wesentlicher Ansatz, die Komplexität dieser Systeme in den Griff zu bekommen und eine hohe Vertrauenswürdigkeit zu erreichen, ist Organic Computing. Hierbei soll wie beim organischen Vorbild durch Selbstorganisation eine ständige Adaption sowohl an die permanent sich ändernde Umwelt als auch an Fehlersituationen erreicht werden.