Karen E.Willcox

Digitale Zwillinge werden zunehmend wichtiger

Interview mit Karen Willcox
Karen Willcox

Digitale Zwillinge werden zunehmend wichtiger

Karen Willcox ist eine führende Forscherin in der Luft- und Raumfahrttechnik und Expertin für simulationsbasierten Engineering vor allem für Fluggeräte. Geboren und aufgewachsen in Neuseeland, ist die sie seit 2018 Professorin an der University of Texas at Austin, wo sie derzeit Direktorin des ‚Oden Institute for Computational Engineering and Sciences‘ ist. Zuvor lehrte sie 17 Jahre lang am Massachusetts Institute of Technology. Ihre Arbeiten zu vereinfachten Simulationsmodellen ermöglichen es, die Entwicklung und das Design komplexer Systeme wie Flugzeuge zu beschleunigen. Außerdem hat sie Modellierungstechniken für Situationen entwickelt, für die es keine perfekte Datenlage gibt – etwa, wenn es darum geht, Vorhersagen für ein System über große Zeiträume zu treffen. Zu ihren zahlreichen Auszeichnungen gehört der 2017 verliehene Neuseeländische Verdienstorden.

Prof. Willcox, erinnern Sie sich, wann Sie zum ersten Mal dem Konzept des ‚digitalen Zwillings‘ begegnet sind?

Karen Willcox: Das war auf einer 2012 vom ‚American Institute of Aeronautics and Astronautics‘ auf Hawaii organisierten Konferenz. Da hörte ich erstmals einen Vortrag über die Idee eines ‚digitalen Zwillings´. Ich erinnere mich noch genau, wie ich dachte, dass der ‚Digitale Zwilling‘ ein tolles Konzept sei. Für unsere Forschung an der Modellierung komplexer Systeme war dieses Konzept eine echte Bereicherung. Ein digitaler Zwilling ermöglicht beispielsweise, zu verfolgen, wie sich ein Flugzeug über die Zeit hinweg verändert, von seiner Konzeption über den tagtäglichen Betrieb bis hin zu seiner Stilllegung. Anstatt nur ein generisches Modell zu verwenden, spiegeln Sie das System in Echtzeit - und können so schnellere und bessere Entscheidungen treffen.

 

Arbeiten Sie auch selbst mit digitalen Zwillingen?
 

Willcox: Ja, meine Forschungsgruppe baut derzeit eine physische Drohne zusammen mit dem dazugehörigen digitalen Zwilling. Der repräsentiert unter anderem alle wichtigen Flugeigenschaften. Und obwohl die Drohne ein komplexes System ist, genügt es, für den digitalen Zwilling ein physikalisch vereinfachtes Modell zu verwenden, um alle wichtigen Eigenschaften erfassen zu können.

Was nützt ein digitaler Zwilling am Boden einer autonomen Drohne im Flug?
 

Willcox: Wenn wir empirische Flugdaten mit physikalischen Modellen kombinieren, können wir mit dem digitalen Zwilling simulieren, was im Flug alles schief gehen kann. Wir nutzen diese Szenarien dann, um die Drohne auf viele Eventualitäten vorzubereiten. Erkennt die Drohne beispielsweise aufgrund seiner Sensordaten während des Flugs, dass es Schwierigkeiten gibt, kann es diese Szenarien nutzen, um Entscheidungen zu treffen – zu landen, mit eingeschränkter Flugkapazität weiter zu fliegen oder heimzukehren. 

Warum gewinnt das Konzept des digitalen Zwillings gerade jetzt an Prominenz?
 

Willcox: Die enorme Rechenleistung, über die wir heute verfügen, kombiniert mit leistungsstarken Algorithmen macht es heute möglich, digitale Zwillinge zu nutzen. Maschinelles Lernen hilft zudem, wichtige Muster in den großen Datenmengen zu identifizieren, die wir in komplexen Systemen wie Flugzeugen sammeln. Dazu kommen ausgefeilte physikbasierte Modelle, mit denen sich belastbare Vorhersagen treffen lassen. Eine weitere Innovation sind neue Hardwarearchitekturen, die es ermöglichen, Daten effizient zu sammeln und zu analysieren, um sie dann in digitale Zwillinge zu integrieren. Ein Beispiel dafür sind neuromorphe Chips, die leicht und energieeffizient sind und sich daher gut für die Analyse von Daten etwa noch während des Flugbetriebs eignen.

Was macht den perfekten digitalen Zwilling aus?

 

Willcox: Es geht nicht darum, dass ein digitaler Zwilling eine Technologie perfekt abbildet. Perfekt würde ja bedeuten, dass er die molekulare Struktur bis ins allerkleinste Detail darstellt. Ein guter digitaler Zwilling bemisst sich vielmehr am Zweck, für den er eingesetzt wird – nämlich, Entscheidungen zu treffen. Ermöglicht ein digitaler Zwilling einer Ölplattform, mehr Öl zu fördern, ohne Sicherheit oder Schutz zu beinträchtigen, dann ist es ein guter digitaler Zwilling. 

Müssen Simulationen komplette, reale Prozesse für ein richtiges Resultat abbilden? Oder genügt es, wenn sie dieses schlicht vorhersagen?
 

Willcox: Die Verwendung eines Black-Box-Modells ist nur in Ordnung, solange es funktioniert – aber weiß man dann auch, dass es in Zukunft funktioniert? Die Frage ist, ob man seinem Modell vertraut - und das Vertrauen ist höher, wenn man versteht, was tatsächlich passiert. Deshalb sind physikbasierte Modelle unumgänglich.

 

Welche Rolle spielt Siemens in diesem Feld?
 

Willcox: Ich habe Siemens-Experten bei Workshops und Konferenzen getroffen und mich mit Ihnen ausgetauscht. Siemens ist maßgeblich daran beteiligt, diese Modellierungstechnologien voranzutreiben und ist bei der Entwicklung und Einsatz des digitalen Zwillings für reale Systeme mit führend.

Werden digitale Zwillinge unseren Alltag begleiten?
 

Willcox: Computermodellierungen und digitale Zwillinge werden zunehmend wichtiger. Sie verbessern die Leistung eines Systems, verlängern seine Lebensdauer und helfen, Kosten zu senken. Derzeit wird das vor allem für teure und komplexe Maschinen eingesetzt. In Zukunft sollte der Einsatz digitaler Zwillinge in einigen Bereichen unseres täglichen Lebens Routine werden – etwa, wenn es um das Energiemanagement unseres Hauses geht. Vor allem erwarte ich aber, dass wir mehr Anwendungen digitaler Zwillinge in der Industrie sehen werden. Um das zu erreichen, sind jedoch Änderungen in den Lehrplänen und in der Ausbildung erforderlich. Die Ingenieure und Techniker der nächsten Generation müssen nicht nur für den Einsatz dieser neuen Instrumente gerüstet sein, sondern sie müssen auch ihre Möglichkeiten und Grenzen verstehen.

 

 Das Interview wurde von Hubertus Breuer geführt.  

Picture credits von oben: Oden Institute for Computational Engineering and sciences, MIT Department of Aeronautics and Astronautics, Willcox Research Group using Akselos Integra software