Herr Hu, Designentwicklung mithilfe von Algorithmen – warum macht das Sinn?
Siyang Hu (SH): Angenommen, Sie wollen eine winzig kleine Komponente aus einem teuren Material entwickeln, die an vier Stellen in vier unterschiedlichen Frequenzen schwingt und diese Schwingung unabhängig voneinander an weitere Sensoren oder eine Batterie weitergeben kann. Dann haben Sie schon einige komplexe Anforderungen an das Produkt. Wie bekommt ein Ingenieur, eine Ingenieurin, es hin, das zu entwerfen?
Um diese Aufgabe zu lösen, sucht die Person in der klassischen Produktentwicklung erst einmal nach Ideen. Da Intuition auf Erfahrung beruht, generiert sie – je erfahrener sie ist – umso schneller intuitiv brauchbare Ideen und kann unbrauchbare ausschließen. Für die am brauchbarsten erscheinenden Ideen werden Prototypen hergestellt, getestet und so lange überarbeitet, bis das Produkt optimal ist. Je weniger Erfahrung Ingenieur_innen also mitbringen, umso länger brauchen sie besonders bei größeren Herausforderungen für diese Versuch-und-Irrtum-Methode. Das Entwerfen, die Herstellung und Überarbeitung von Prototypen dauern aber nicht nur lange. Sie verbrauchen auch mehr Material und die Herstellungskosten erhöhen sich durch zusätzliche Laborzeit und einen längeren Bedarf an Maschinen.
Man kann also sagen, dass der Erfolg in der klassischen Produktentwicklung sehr stark von der Erfahrung der Ingenieur_innen abhängt. Aber in heutigen Unternehmen gibt es nicht für alle speziellen Problemfelder erfahrene Expert_innen. Die sind teuer und es ist sehr schwer, solche Leute überhaupt zu finden.
Die automatisierte Produktentwicklung ist hingegen schneller, weil sie die Lösungswege durchrechnet. Außerdem spart sie Material, da man die digitalisiert entwickelten Designs im Computer aufbauen und testen kann.
Was ist das Ziel Ihrer Forschungsarbeit?
SH: Wir entwickeln im Projektteam einen Algorithmus, also eine automatisierte Entwurfsmethode, bei der man die Intuition – also den seltenen, unglaublich großen persönlichen Erfahrungsschatz einer Ingenieurin oder eines Ingenieurs für viele Anwendungsbereiche – nicht mehr zwingend benötigt, um ausreichend schnell ein Design für eine miniaturisierte Komponente zu entwickeln. Ziel unserer Arbeit ist, dass der Algorithmus unter anderem einen Energiewandler entwerfen kann.
Wie entwickeln Sie Ihren Algorithmus?
SH: Angefangen haben wir mit den Methoden, also mit den Algorithmen, die ursprünglich für die Entwicklung von Leichtbauteilen eingesetzt wurden. Diese entwickeln wir bezogen auf unseren Anwendungsfall, den schwingenden Energiewandler, weiter. Wir geben dabei alle Funktionen unseres Produktes vor. Wir definieren mathematisch, an welcher Stelle das Produkt in welcher Frequenz schwingen soll, welcher Kraft es an welchen Stellen standhalten muss, und so weiter. Unsere Methode kann eine ganze Bandbreite von schwingenden Komponenten entwerfen. Der Algorithmus berechnet mögliche Formen, prüft diese, verwirft sie wieder, und entwirft so nach und nach unser Produkt.
Wo stehen Sie mit Ihrer Forschungsarbeit aktuell?
SH: Um Lösungen zu überprüfen, die uns brauchbar erscheinen, erstellen wir Demonstratoren – also Modelle unseres Energiewandlers – in einer Größe von rund zehn Zentimetern. Daran testen wir, ob das Modell realphysisch funktioniert. Unser Algorithmus hat mehrere Modelle berechnet, und wir haben inzwischen mehrere Demonstratoren gebaut und getestet.
