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RWTH-Forschung: Wie Stress auch nützlich sein kann

RWTH-Forschung : Wie Stress auch nützlich sein kann

Um Produktionsprozesse zu optimieren, suchen Wissenschaftler der RWTH Aachen nach Antistressfaktoren. Die finden sie in der Natur – zum Beispiel bei Füchsen, die Nahrungsmangel mit besonderen Strategien begegnen.

„Antifragilität als Konzept gegen Stressoren und Volatilität“ – was klingt wie ein Lied von Mary Poppins, ist ein Erfolgsrezept aus der Natur, das zukünftig verschiedene Produktionsprozesse verbessern soll. Antifragil ist das Gegenteil von fragil und bedeutet unempfindlich. Produktionen werden aktuell jedoch immer empfänglicher und anfälliger für Störungen. Gründe dafür können schlankere Prozesse, ein höherer Grad an Automatisierung, Just-in-time-Logistik und Ressourceneinsparungen sein. Aber auch Faktoren wie unterbrochene Lieferketten und der Infektionsschutz können Prozesse stören, wie die Corona-Krise deutlich gemacht hat.

Aktivierung von außen

Wissenschaftler des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) der RWTH Aachen wollen nun mit Kolleginnen und Kollegen vom Lehrstuhl für Wissenschaftstheorie und Technikphilosophie sowie vom Lehrstuhl für Biotechnologie etwas dagegen unternehmen.

Marco Becker vom WZL erklärt: „Die Natur hat Mechanismen entwickelt, mit Störungen klarzukommen. Unser Immunsystem beispielsweise wird durch Angriffe von außen aktiviert und gestärkt.“ Diese natürlichen Mechanismen möchten die Aachener Forscher finden und verstehen. Im Rahmen eines im Juni 2020 gestarteten Projektes leisten die Forscher jetzt die Vorarbeiten für kommende Forschungsprojekte, die diese Mechanismen aus der Natur auf die Produktion übertragen.

Ein gutes Beispiel sind Füchse; sie sind besonders anpassungsfähig. Sie fressen Mäuse, Regenwürmer oder Früchte, je nach Angebot und Jahreszeit. Auf dem Land bedienen sie sich beim Bauern, in der Stadt plündern sie Mülltonnen. Dies sind Konzepte gegen Volatilität, also Schwankungen im Nahrungsangebot. Sterben ungewöhnlich viele Füchse durch Jagd oder Krankheit, bekommen sie daraufhin erheblich mehr Nachwuchs. Dies ist ein Konzept gegen Stressoren, also Reize, die Stress verursachen.

„Stressoren und Volatilität können die Systeme in der Natur stärken anstatt sie zu schwächen“, verdeutlicht Daniel Trauth, Leiter der Abteilung digitale Transformation am WZL. „Stau auf der Autobahn oder zu heiße Sommer, eine Krankheitswelle oder ein heftiger Sturm, viele Faktoren können ein Produktionssystem lahmlegen. Nun wollen wir uns von der Natur inspirieren lassen und lernen, wie wir besser mit Störgrößen umgehen können.“ Stressoren seien „in der Biologie ganz normal“, sagt Dawid Kasprowicz vom Lehrstuhl für Wissenschaftstheorie und Technikphilosophie. Im Maschinenbau sei das völlig anders. „Ein System mutwillig zu beschädigen, um es zu verbessern, ist für Maschinenbauer zunächst kontraintuitiv“– will sagen: ziemlich ungewohnt. Seinem Lehrstuhl kommt eher die Rolle des Vermittlers zwischen den beiden Welten zu.

Die Expertise von Prof. Ulrich Schwaneberg, Leiter des Lehrstuhls für Biotechnologie, liegt auf dem Gebiet der Gelenkten Evolution. Diese ermöglicht es, Enzyme aus der Natur umzuprogrammieren und sie so für industrielle Prozesse nutzbar zu machen. Frances Arnold – zu deren Team Schwaneberg von 1999 bis 2001 zählte – erhielt für die Entwicklung der Methode 2018 den Chemie-Nobelpreis. „Es wäre denkbar, dass sich beispielsweise eine Beschichtung in der Produktion selbst optimiert“, erklärt er. „Die Zusammensetzung ändert sich dann entsprechend der Temperatur und Luftfeuchtigkeit.“

Interdisziplinäre Forschungsprojekte unterstützt

Die Vorarbeiten des Projekts dauern noch bis Februar 2021. Sie werden mit 50.000 Euro von der ERS-Projektförderung finanziert. ERS steht für Exploratory Research Space, was so viel heißt wie sondierender Forschungsraum. Die RWTH Aachen unterstützt damit interdisziplinäre Forschungsprojekte, die unkonventionelle oder risikoreiche Forschungsideen entwickeln. Die Wissenschaftler planen außerdem, mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) Möglichkeiten zu finden, die Mechanismen aus der Natur auf technische Systeme zu übertragen. „Ich stelle mir ein digitales Software-Managementsystem vor“, sagt Trauth, „das Menschen an der Maschine bei Entscheidungen unterstützt oder warnt.“ So könnten Volatilität, Zufälligkeit und Stressoren industrielle, antifragile Systeme verbessern. „Wenn wir ein solches System erfolgreich entwickeln, profitiert die gesamte RWTH“, bestätigt auch Prof. Thomas Bergs, Inhaber des Lehrstuhls für Technologie und Fertigungsverfahren am WZL. Unterschiedliche Bereiche könnten antifragile Prinzipien nutzen.

KI soll dabei die Informationsbasis liefern. Das Konzept überprüfen die WZL-Forscher derzeit bei einer CNC-Schleifmaschine. „Wir bekommen enorm viele Informationen, die wir noch gar nicht richtig nutzen können“, erklärt Becker. „Die Systeme sind komplex, und die Menschen können die Flut an Daten nicht verstehen.“

Die Faktoren, die den Prozess beeinflussen können, reichen in diesem Beispiel von der Kornverteilung der Schleifscheibe bis zur Luftfeuchtigkeit bei der Bearbeitung. Im laufenden Betrieb treffen so mehr als 1000 Signale gleichzeitig ein. Hinzu kommen externe Datenquellen wie Verfügbarkeit anderer Maschinen oder die Ankunftszeit der Lieferanten. Ohne Künstliche Intelligenz sei diese Menge an Daten nicht zu verarbeiten. Trauth und Becker arbeiten bereits an einer wissenschaftlichen Veröffentlichung.