Neues SPP: Mehr Intelligenz wagen

Entwurfsassistenten in Mechanik und Dynamik sind das Thema eines neuen Schwerpunktprogramms (SPP) der Deutschen Forschungsgemeinschaft, das mehr Künstliche Intelligenz in den Entwurfsprozess technischer Systeme bringen will. Koordiniert von Prof. Peter Eberhard vom Institut für Technische und Numerische Mechanik der Universität Stuttgart werden deutschlandweit rund 20 Gruppen aus Maschinenbau, Mathematik und Informatik in einem innovativen Forschungsprojekt zusammenarbeiten. Ihr Ziel ist es, mit numerischen Strategien den Entwurfsprozess in der Industrie zu optimieren und schneller zu machen.

„Der Stuttgarter Maschinenbau freut sich über diese Anerkennung, die auch auf den Arbeiten im Exzellenzcluster ‘Daten-integrierte Simulationswissenschaften‘ (SimTech)‘ an der Universität Stuttgart beruht“, betont Eberhard. „Das SPP wird modernste Methoden der Optimierung und KI-Forschung mit neuesten Analysemethoden der Technischen Dynamik verknüpfen, um an der Grenze zwischen Ingenieurwesen, Mathematik und Informatik Entwurfsassistenzsysteme der Zukunft zu konzipieren.“

Der Entwurf technischer Systeme gehört zu den anspruchsvollsten Kreativleistungen im Ingenieurbereich. In häufig interaktiven Entwicklungsprozessen werden zeitaufwändige Parameterstudien durchgeführt und Simulationsergebnisse nach Augenmaß bewertet, um manuell anhand von eigenem Expertenwissen erfolgsversprechende Veränderungen am aktuellen Entwurf vorzunehmen. Oft wird am Ende ein Ergebnis als optimal deklariert, das auf subjektiven Bewertungen statt auf mathematischen Kriterien basiert oder schlichtweg dem Zeitmangel geschuldet ist. Zudem ist der Mensch meist nicht in der Lage, Korrelationen in höher-dimensionalen Entwurfsräumen zu erkennen und die Expertise von Entwurfsingenieur*innen ist meist auf wenige Teildisziplinen begrenzt.

Hochautomatisierte Entwurfsprozesse als Ziel

Um künftigen Kundenanforderungen, neuen Regularien sowie der gesellschaftlichen Verantwortung gerecht zu werden, aber auch um die Möglichkeiten neuartiger Systeme mit Komponenten auf Basis Künstlicher Intelligenz (KI) optimal zu nutzen, muss der Systementwurf der Zukunft multidisziplinär sein. Dies können nur hochautomatisierte Entwurfsprozesse leisten. Bei diesen übernehmen numerische Optimierungsstrategien die Suche nach besten Kompromisslösungen. Für die Systemevaluation werden Analysemethoden aus ganz unterschiedlichen Disziplinen integriert, und die Bewertung des Systemverhaltens sowie die Entwurfsentscheidungen erfolgt durch KI-gestützte Algorithmen. 

Ziel des SPP ist ein nachhaltiger Paradigmenwechsel im industriellen Entwurfsprozess, der den derzeit noch Analyse-zentrischen Prozess durch einen Kriterien-betonten Entwurf ablöst. Dies soll in modulhaft kombinierbare Entwurfsassistenzsystemen münden, die Ingenieur*innen mit einer künstlichen, das eigene Fachwissen ergänzenden Intuition ausstatten, um im Spannungsfeld von Strukturwandel, kürzeren Entwicklungszyklen und zunehmend interdisziplinären Herausforderungen bestehen zu können. Kriterien, die in bisherigen Entwurfsprozessen erst spät Berücksichtigung finden, können dank der Entwurfsassistenten bereits in frühen Entwurfsphasen berücksichtigt werden, was zu besseren Ergebnissen und kürzeren Entwicklungszeiten beitragen kann. 

Durch die in den letzten Jahrzehnten zur Reife gebrachten Analysemethoden, die enorm gestiegene Rechenleistung und die beeindruckenden Fortschritte in der Forschung, etwa im Bereich des maschinellen Lernens ist nun der ideale Zeitpunkt, um Entwurfsstrategien zu entwickeln, die vor wenigen Jahren noch undenkbar waren. „Mechanik und Dynamik als jahrhundertelange Bindeglieder zwischen Ingenieurwesen und Mathematik sind hierbei die idealen Themenfelder, um dem Maschinenbau durch dieses SPP eine neue Forschungsausrichtung zu geben“, sagt Eberhard. „Die Optimierung des Entwurfsprozesses sowie die KI-Forschung eröffnen anspruchsvolle neue Anwendungsfelder mit bislang noch nicht ausgeschöpften Potenzialen, im Besonderen in der Nutzung der kreativen Intelligenz in Entwurfsentscheidungen.“

Insgesamt bewilligte die DFG 13 neue Schwerpunktprogramme und stellte dafür rund 82 Millionen Euro auf drei Jahre zur Verfügung. Das SPP „Mehr Intelligenz wagen – Entwurfsassistenten in Mechanik und Dynamik“ (SPP 2353) startet 2022.