Generative Gestaltung: Auch die NASA baut auf KI und Cloud

Digitaler Ausblick

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Datum 27.12.2018
Lesezeit 5 Min.

Generative Gestaltung: Auch die NASA baut auf KI und Cloud

Nach der erfolgreichen Landung der InSight-Sonde auf dem Mars bereitet sich die Raumfahrtbehörde NASA bereits darauf vor, neue Wege bei der Entwicklung von Erkundungsfahrzeugen zu beschreiten: Der nächste Mars-Lander soll womöglich auf Beinen anstelle von Rädern stehen und unter anderem der Erforschung der Monde von Saturn und Jupiter dienen können.

Gleich mehrere staatliche und private Raumfahrtorganisationen haben sich aktuell der Erforschung des Sonnensystems über Mond und Mars hinaus verschrieben. Mit dem kürzlich vorgestellten Lander-Prototypen will die NASA in Zukunft auch auf weitgehend unbekannten Planeten- und Mondoberflächen zurechtkommen. Das Landefahrzeug basiert auf dem hochmodernen Prinzip der generativen Gestaltung und soll besonders leicht und flexibel sein.

 

Ein Landemodul konstruiert auf der Basis generativer Gestaltung

Auf der jährlichen Autodesk University in Las Vegas wurde kürzlich der Prototyp eines Erkundungsgeräts für ferne Planeten vorgestellt: Dabei setzen das NASA Jet Propulsion Laboratory und der 3D-Softwarepionier Autodesk auf neuartige Konzepte. So soll das Landemodul nochmals deutlich leichter, aber auch flexibler werden als herkömmliche Systeme – und nicht mehr fahren, sondern laufen.

Der etwa 2,50 Meter hohe und einen Meter breite Lander erinnert in seiner Gestaltung an einen Roboter aus einem Science-Fiction-Film: Anstelle von sechs Rädern wie sonst üblich verfügt er über vier Beine, die ihm unter anderem einen sicheren Stand auf beinahe jeder beliebigen, festen Oberfläche ermöglichen. In der Mitte trägt er eine Aufnahmevorrichtung für hochsensible Messinstrumente, die Aufschluss über die Beschaffenheit und die Vorgänge auf fremden Himmelskörpern liefern sollen. Für die Herstellung des Prototypen wurden verschiedene Produktionsmethoden kombiniert. So wurden Gussverfahren verwendet, aber auch CNC-Fräsen und 3D-Drucker kamen zum Einsatz.

 

Video: YouTube / Welcome.AI

 

Das Landemodul bietet dabei gleich in mehreren Bereichen eine optimierte Konstruktion: Dadurch, dass es in extremer Leichtbauweise gefertigt wurde beziehungsweise werden kann, steht mehr Nutzlast für die Aufnahme von Messgeräten zur Verfügung. Die vier Beine sollen nicht nur für einen besonders sicheren Stand sorgen, sondern bieten noch einen weiteren Vorteil: Bewegt sich das Modul in unwegsamem Gelände, kann es sich nicht mehr festfahren und somit steckenbleiben, sondern läuft, so die Hoffnung der Forscher, einfach über mögliche Unebenheiten hinweg.

Doch wie entsteht solch ein Prototyp, der durch fortlaufende Optimierung am Ende den bestmöglichen Kompromiss aus Standfestigkeit, Stabilität und Flexibilität vereint? Das Zauberwort heißt generative Gestaltung – ein Verfahren, das unter anderem mit Hilfe künstlicher Intelligenz und Cloud Computing aus groben Vorgaben schnell ein funktionsfähiges Produkt erzeugt. Das Computermodell zum real existierenden Prototyp wurde mit Hilfe der 3D-Software Autodesk entwickelt. Die NASA hatte im Gegensatz zu zukünftigen Endanwendern schon sehr früh Zugriff auf Funktionen, die sich eigentlich noch im Beta-Stadium befinden. Es handelt sich vermutlich um eine der komplexesten Formen, die jemals mit dem Prinzip der generativen Gestaltung erzeugt und dann auch in einem 3D-Modell umgesetzt wurden.

Ausklappbare Informationsgrafik
Mit Methoden der generativen Gestaltung gelangen Sie schrittweise schon am Rechner zu optimalen Ergebnissen.
Bild: Eigenkreation / Hartmut Bohnacker, Julia Laub, Benedikt Groß, Claudius Lazzeroni (2009): Buch „Generative Gestaltung”, www.generative-gestaltung.de

 

 

Das Optimierungsdilemma: Nicht nur in der Raumfahrt ein Thema

Ein Landemodul zu entwickeln, das zu einem fernen Planeten transportiert und dort eingesetzt werden soll, stellt die NASA und die beteiligten Projektpartner vor ein schwieriges Optimierungsdilemma:

  • Das Modul muss groß genug sein, um die geforderten Meßinstrumente aufzunehmen, jedoch klein genug, um mit einer Rakete transportiert werden zu können.
  • Auf der Oberfläche des Planeten oder Mondes soll es sowohl standsicher als auch bei Bedarf mobil sein.
  • Das Gewicht des Landemoduls ist entscheidend für den Treibstoffverbrauch beim Start, aber auch für die Gewährleistung einer sicheren Landung.
  • Je mehr Gewicht in der Grundkonstruktion des Moduls steckt, umso weniger Gewicht steht für Messinstrumente zur Verfügung.
  • Nicht zuletzt spielen auch Kostenfaktoren beispielsweise bei der Materialauswahl eine wichtige Rolle.

Nicht nur die Raumfahrt, sondern auch die Luftfahrt, der Schiffbau, weitere Branchen wie der Maschinen- und Anlagenbau sowie das Bauingenieurwesen sehen sich häufig mit ähnlichen, miteinander konkurrierenden Zielen konfrontiert. Die ideale Lösung solcher Probleme kann also immer nur ein Kompromiss zwischen den einzelnen Optimierungsfaktoren sein. Deren Gewichtung festzulegen, ist zunächst Aufgabe des Menschen. Den optimalen Kompromiss findet dann ein Computer (beziehungsweise ein Rechnerverbund im Cloud Computing) in mehreren Iterationsschritten. Hier kommt die generative Gestaltung zum Einsatz.

Die generative Gestaltung nutzt die Fähigkeit von modernen Computern, mit riesigen Datenmengen umzugehen und aus Fehlschlägen ähnlich wie ein Mensch mit Hilfe von Verfahren der künstlichen Intelligenz zu lernen. So wird nach und nach immer mehr von der Denkarbeit, die ursprünglich hochspezialisierten Ingenieuren vorbehalten war, dem Computer überlassen – der dann am Ende den optimalen Kompromiss als 3D-Modell präsentiert. Die Bewertung und weitergehende Optimierung desselben und die Anpassung der verwendeten Parameter erfolgt allerdings auch weiterhin von Hand.

 

Beispiele für Einsatzgebiete der generativen Gestaltung

Bereits jetzt kommen die Prinzipien der generativen Gestaltung in verschiedenen Branchen zum Einsatz:

  • In der Automobilindustrie: Dank generativer Gestaltung können ganze Fahrzeugkarosserien oder Bauteile aerodynamisch optimiert werden, ohne in der Entwurfsphase einen Windkanal zu benutzen.
  • Im Flugzeugbau: Auch hier spielen häufig konkurrierende Zielsetzungen eine Rolle: Die meisten Bauteile sollen sowohl aerodynamisch optimal als auch leicht und dabei extrem formstabil sein.
  • In der Architektur: Mit generativer Gestaltung können Entwürfe beispielsweise für Gebäude, Brücken oder deren Bauteile zunächst am Rechner optimiert werden, bevor sie als Modell und schließlich als reales Objekt hergestellt werden.
  • Im Maschinenbau: Auch bei Maschinen lassen sich Kosten sparen und die Effizienz während des endgültigen Betriebs erhöhen, wenn verschiedene Entwürfe zunächst am Rechner auf ihre Praxistauglichkeit getestet werden können.
  • In der Schuhherstellung: Neue Schuhmodelle werden zunächst als Drahtgittermodell entworfen und optimiert, bevor am Ende zumindest Teile des Schuhs inzwischen schon am 3D-Drucker gefertigt werden.

 

Zusammenfassung

  • Die NASA hat kürzlich zusammen mit Autodesk den Prototypen eines Landers für ferne Planeten vorgestellt.
  • Der Lander wurde auf Basis der generativen Gestaltung entworfen und produziert. Er steht auf vier Beinen anstatt den bisher üblichen sechs Rädern.
  • Durch die extreme Leichtbauweise und die optimierte Konstruktion kann der Lander mehr Nutzlast tragen als es bisher möglich war.
  • Mit generativer Gestaltung und entsprechender 3D-Software wie von Autodesk lassen sich unter Verwendung künstlicher Intelligenz und Cloud Computing zügig 3D-Modelle eines Vorhabens erstellen.
  • Dank moderner 3D-Drucker und Fertigungsverfahren können Prototypen eines Objekts vor dessen eigentlicher Produktion ausgiebig getestet werden.
  • Neben der Raumfahrt kommt dieses moderne Gestaltungsprinzip auch in anderen Branchen wie dem Automobilbau, der Architektur oder im Maschinenbau zum Einsatz.

 

Was sagen Sie zum vorgestellten NASA-Prototypen? Ist die generative Gestaltung die Zukunft für alle Optimierungsprobleme in der Konstruktion? Wir freuen uns auf Ihren Kommentar.

 

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