Intelligente Systeme für das Zusammenspiel von Mensch, Maschine und Umwelt

Industrie 4.0, autonomes Fahren, Pflegeroboter – Konnektivität und Automatisierung bilden die Basis unserer modernen, vernetzten Gesellschaft. Beides verändert die Art, wie wir arbeiten, kommunizieren oder wirtschaften. Grundlegende Voraussetzung für alle automatisierten Technologien ist, dass sich Maschinen fehlerfrei und schnell in ihrer Umgebung orientieren und adäquat agieren können. „Arbeiten“ sie an der Schnittstelle zum Menschen, ist eine problemlose und sichere Interaktion noch wichtiger. Dazu sind nahtlose Verbindungen zwischen physischer und virtueller Welt notwendig. Der erste Schritt hierfür ist die Erfassung der Umwelt mit intelligenten Sensoren, die die (Mess-) Daten für eine Interaktion bereitstellen. Nach der Verarbeitung der Daten in der virtuellen, digitalen Welt wird der Mensch mittels innovativer Technologien über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (engl.: Human Machine Interface, kurz HMI) informiert und kann selbst agieren.

Zu diesem Zweck erforscht und entwickelt Bosch Research intelligente Sensoren sowie Mensch-Maschine-Schnittstellen und sogenannte eingebettete Systeme (engl.: Embedded Systems). Bei eigebetteten Systemen führen aufeinander abgestimmte Hardware, wie Mikroprozessoren, und Software lokal und autonom Berechnungen aus, um den Systemen autonomes Handeln zu ermöglichen.

Messung, Verarbeitung, Feedback und Entscheidung – das ist der Weg, den sich Informationen aus der physischen in die virtuelle Welt und wieder zurück bahnen müssen. Bosch-Sensoren übernehmen dabei die Rolle der Sinneswahrnehmung. Sie erfassen die physische Umgebung und übertragen Informationen in die virtuelle Welt. Sie sorgen dafür, dass die richtigen Daten zur richtigen Zeit und in angemessener Qualität erhoben und durch Rechenleistung verarbeitet werden können. Und nicht zuletzt: Sensoren sind die Sinne der künstlichen Intelligenz (KI). Denn bei jeder Art von Algorithmik bestimmt die Qualität der Sensorik entscheidend die Güte der Ergebnisse. In den Sensoren verbaute Recheneinheiten verarbeiten die erhobenen Daten mithilfe von klassischen sowie von KI-Algorithmen. Ein besonderer Vorteil von Embedded Systems: Die direkte und lokale Berechnung spart Energie und Zeit, die es kosten würde, die Rechenoperation inklusive Datentransfer in die Cloud zu verlagern. Für den Anwender verlängert das insbesondere bei drahtlosen Systemen wie Smartphones die Akkulaufzeit und erhöht somit den Komfort. Zudem besteht eine sehr hohe Datensicherheit, da Daten ausschließlich lokal verarbeitet werden. Die Ergebnisse werden dem Menschen anschließend über HMI-Technologien situationsgerecht zur Verfügung gestellt, um Entscheidungen auf Basis adäquater Information treffen zu können.

Ob Fahrerassistenzsysteme, Datenbrillen oder Atemanalysegeräte – von dem jeweiligen Anwendungsfall abhängig müssen die drei Hardware-Komponenten Sensorik, Recheneinheit und Nutzerschnittstelle passgenau zusammenspielen. Die Entwicklung solcher Systeme, bestehend aus Mikroelektronik und Software für spezielle Einsatzgebiete, ist eine Aufgabe unserer Forscherinnen und Forscher. Darüber hinaus arbeiten sie daran, dass die einzelnen Komponenten dieser intelligenten Pfade immer leistungsfähiger und zugleich energieeffizienter werden. Ein Schwerpunkt ist die Forschung an eingebetteter künstlicher Intelligenz (engl.: Embedded AI) und KI-Beschleunigern: Dabei geht es darum, KI-Algorithmen direkt in den intelligenten Sensoren effizient laufen zu lassen – mit maximaler Performance bei minimaler Leistungsaufnahme.

Die Grundlage für die meisten intelligenten Sensoren bildet die MEMS-Technologie (Mikro-elektro-mechanisches System, engl.: Micro-Electro-Mechanical System, kurz MEMS). Hier ist Bosch Weltmarktführer. Täglich produziert das Unternehmen rund fünf Millionen dieser Mikro-Sensoren, zum Beispiel für den Einsatz in Smartphones zur Lage- oder Beschleunigungsmessung. Beim automatisierten Fahren kommt Umfeldsensorik mit Kameras, Ultraschall oder Radar zum Tragen. Bei diesen Sensoriktechnologien gehört Bosch ebenfalls zu den weltweit führenden Unternehmen.

Unsere Forscherinnen und Forscher arbeiten bereits an der nächsten Generation der Sensortechnologie: den Quantensensoren. Diese können den Quantenzustand von Atomen messen und erreichen so eine wesentlich höhere Empfindlichkeit als klassische MEMS-Sensoren. Ziel von Bosch Research ist, die Größe der Quantensensoren, ihren Strombedarf und ihre Kosten langfristig auf das Niveau von MEMS-Sensoren zu reduzieren.

Daraus ergeben sich zukünftige Potenziale für die Quantensensorik zum Beispiel in der Medizintechnik – etwa bei der Diagnose neurologischer Erkrankungen wie Alzheimer oder Parkinson. Durch die hohe Absolutgenauigkeit und die räumliche Auflösung unserer Quantenmagnetfeldsensoren können wir in Zukunft dazu beitragen, die Stärke und die räumliche Ausdehnung beispielsweise der Degeneration von Hirnarealen nichtinvasiv zu diagnostizieren. Wenn es darum geht, aus dem menschlichen Gehirn eine Schnittstelle in die Außenwelt zu schaffen, spricht man von sogenannten „Brain-Computer-Interfaces“. Diese speziellen Mensch-Maschine-Schnittstellen ermöglichen eine direkte Verbindung zwischen dem Gehirn und beispielweise einem Computer. Zu den Einsatzmöglichkeiten zählen zum Beispiel die Steuerung von Maschinen durch Menschen mit Behinderungen, Nutzerschnittstellen für Alltagsgegenstände oder Videospiele und die Verknüpfung mit der „Augmented“ oder „Virtual Reality“.

Ein neues Forschungsfeld innerhalb der Sensorik ist das „Sensorless Sensing“. Bei dieser Technologie geht es darum, bereits vorhanden Funkverbindungen (zum Beispiel WLAN) zu nutzen und als Sensor einzusetzen. Dadurch können neue Funktionen ohne zusätzliche Sensoren realisiert werden.

Im Bereich HMI arbeitet Bosch Research unter anderem an der nächsten Generation von Datenbrillen, die so leicht und energiesparend sind, dass sie den ganzen Tag getragen werden können. Dahinter steht die Bosch-Light-Drive-Technologie, die die angeforderten Informationen direkt auf die menschliche Netzhaut projiziert und viele Vorteile gegenüber den heute verfügbaren Ansätzen bietet.

Unsere Forschung an intelligenten Sensoren sorgt in Summe dafür, dass unsere Technologien noch besser Signale aus der Umwelt erfassen und verarbeiten können. Die Sensoren vermessen die Umgebung und verarbeiten die Daten, geben Rückmeldung und treffen fundierte Entscheidungen. Sie schlagen genau die Brücke zwischen physischer und virtueller Welt, die eine automatisierte und vernetzte Zukunft ermöglicht. Die Arbeit an HMI-Technologien trägt dazu bei, den Menschen optimal in die reale sowie digitale Umgebung einzubinden und gleichzeitig eine intelligente Interaktion mit technischen Systemen zu ermöglichen.