Die nachhaltige biologische Transformation

STAUFEN MAGAZINE 2021 | No. 4 | Fraunhofer Institut | Input

Die fortschreitende Digitalisierung verändert etablierte Wertschöpfungssysteme der industriellen Produktion bereits heute massiv. Es wird aber auch mehr und mehr offensichtlich, dass die Einführung von cyber-physischen Systemen zur Vernetzung und Optimierung industrieller Produktionsressourcen nicht ausreicht, um essenzielle Herausforderungen der Gesellschaft zu meistern. Die Ressourcenverknappung, der Klimawandel, die veränderte Rolle des Menschen in der Gesellschaft und am Arbeitsplatz, aber auch die Komplexität in Unternehmen mit agilen Geschäftsmodellen erfordern die ergänzende systematische Anwendung von Wissen über natürliche Systeme.

Die Natur kann bei der Optimierung der industriellen Leistungserstellung Pate stehen. Die sogenannte biologische Transformation der industriellen Wertschöpfung, ein neues Paradigma, das die digitale Transformation im Rahmen von Industrie 4.0 ergänzen soll, wird biointelligente Systeme erfordern. Laut McKinsey wird mit einer biologischen Transformation weltweit allein im Sektor Gesundheit bis zum Jahr 2040 ein wirtschaftliches Wachstum von 35 Prozent gegenüber heute erzeugt, das sind 0,5 bis 1,3 Billionen Dollar; im Bereich Landwirtschaft, Fischerei und Ernährung sogar 36 Prozent bzw. 0,8 bis 1,2 Billionen Dollar.

ADDITIVE FERTIGUNG:
Beim Bau eines lautlosen Antriebssystems für Boote und Wassersportgeräte diente der Oktopus der Forschung als Vorbild. Der Antrieb lässt sich kostengünstig mit einem 3D-Drucker in einem Arbeitsgang herstellen.
© Fraunhofer IPA © KonikuTM

PROF. DR. THOMAS BAUERNHANSL
Institutsleiter Fraunhofer-Institut
für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
FORSCHUNGSBEREICHE:
Produktionstechnologien und Automatisierung, Biointelligenz
SCHWERPUNKTE:
Industrie 4.0, Fabrik der Zukunft

DER VON EINER QUALLE INSPIRIERTE
BIOINTELLIGENTE KONIKORE-SENSOR:
Er kann spezielle Stoffe, z. B. flüchtige Kohlenwasserstoffe, erschnüffeln / erkennen, z. B. im Atem von Patienten, oder Sprengstoff im Koffer von Passanten. Neuronen werden hierbei für spezielle Aufgaben (etwa die fluoreszierende Reaktion bei Kontakt mit spezifischen Molekülen, z. B. in Sprengstoff) in einem Träger zwei Jahre am Leben erhalten und in einen
Sensor integriert, der das Leuchten detektiert und mithilfe von Machine Learning auswertet. © KonikuTM

Die biologische Transformation der industriellen Wertschöpfung wendet systematisch Wissen über die Natur und die Biologie in der Technik an. Die zunehmende technische Nutzung von Materialien, Strukturen und Prozessen aus der belebten Natur macht eine nachhaltige Produktionsweise mit innovativen Technologien möglich. Produkte, industrielle Herstellprozesse und Organisationen und, damit verbunden, auch die Lebensweise der Menschen werden sich dadurch tiefgreifend verändern. Das nötige Handwerkszeug für diese Entwicklung stellen die Forschungsdisziplinen Biotechnologie, Automatisierung, Materialwissenschaft sowie Informations- und Kommunikationstechnologie bereit.

Verfahren der künstlichen Intelligenz (hier vor allem das maschinelle Lernen) sind hierfür genauso wichtig wie die additive Fertigung oder biotechnologische Produktionsverfahren. Deren Kombination und die intelligente Vernetzung sind der Schlüssel zu einer biointelligenten Wirtschaftsweise. Hier entsteht eine neue Dimension im Innovationsraum mit einem überproportionalen Wachstum, das den einen oder anderen Ausfall beispielsweise in der Automobilindustrie kompensieren kann.

NATUR UND TECHNIK – VON DER INSPIRATION ZUR INTERAKTION

Der Prozess der biologischen Transformation kann in drei Entwicklungsmodi unterteilt werden: Inspiration, Integration und Interaktion. Zunächst erlaubt es die Inspiration, die evolutionär über Jahrmillionen entstandenen biologischen Phänomene auf Wertschöpfungssysteme zu übertragen. Unternehmen entwickeln mit diesem Ansatz neuartige Materialien und Strukturen (z. B. Leichtbau), Funktionalitäten (z. B. Biomechanik) sowie Organisations- und Kooperationslösungen (z. B. Schwarmintelligenz, neuronale Netze, evolutionäre Algorithmen). Dieser Ansatz ist unter dem Begriff Bionik bereits weithin bekannt und erprobt, gewinnt jedoch massiv durch den Einsatz digitaler Technologien. So kann heute innerhalb weniger Stunden für weniger als 100 € das menschliche Genom entschlüsselt werden. Wir verstehen somit komplexe biologische Systeme und Phänomene deutlicher schneller und umfassender als jemals zuvor und können dieses Wissen in die Gestaltung völlig neuer oder optimierter Lösungen einfließen lassen.

In einem weiteren Modus findet das Wissen über die Natur und Biologie in einer tatsächlichen Integration biologischer Systeme in Produktionssysteme Anwendung, etwa mit der Substitution chemischer durch biologische Prozesse. Beispiele dieses zweiten Modus sind u. a. die Nutzung von Mikroorganismen zur Rückgewinnung von seltenen Erden aus Magneten, die Funktionalisierung von Polymeren und die mikrobielle Gewinnung von Biokunststoff aus CO2-Abfallströmen. Auch alle Formen der klassischen Biotechnologie können zu diesem Ansatz gezählt werden.

BURGER OHNE TIER:
Die Herstellung verbraucht einen Bruchteil der Ressourcen einer Fleischproduktion (96 % weniger an landwirtschaftlicher Fläche, 87 % weniger Wasserverbrauch und 89 % weniger Treibhausgasemissionen). Der Fleischgeschmack des Impossible Burger wird mit pflanzlichem Hämoglobin durch Fermentation von gentechnisch veränderter Hefe erreicht. (Quelle)

Drittens führt die umfassende Interaktion zwischen technischen, informatorischen und biologischen Systemen, beziehungsweise die Verschmelzung dieser drei Integrationsebenen, zu völlig neuen, autarken Produktionstechnologien und -strukturen, den sogenannten biointelligenten Wertschöpfungssystemen. In den kommenden Jahren und Jahrzehnten werden Systeme, die Soft-, Hard- und Bioware in echtzeitfähigen Architekturen verschmelzen, für die industrielle Wertschöpfung massiv an Bedeutung gewinnen.

Die drei Entwicklungsmodi spielen im Zuge der biologischen Transformation eine entscheidende Rolle und sind als vernetzte Prozesse zu verstehen. Die Interaktion und die im Zuge dieses Entwicklungsmodus entstehenden biointelligenten Systeme werden hier jedoch am rasantesten an Fahrt aufnehmen. Ein Grund dafür sind die in den letzten Jahren sprunghaft angestiegenen wegweisenden Fortschritte in der Biotechnologie – etwa die Genome-Editing-Technologie CRISPR / Cas – und in der Informationstechnik – etwa tiefe neuronale Netze –, deren Kopplung zu radikalen Innovationen führen wird.

THE VISION: TECHNOLOGY-BASED DEMAND ECONOMY

Die Biologie hält im Rahmen der biologischen Transformation mit den Entwicklungsmodi Inspirieren, Integrieren und Interagieren Einzug in die industrielle Wertschöpfung und ermöglicht den Menschen eine ökologisch ausbalancierte Befriedigung ihrer Bedürfnisse. Die neue, biointelligente Wertschöpfung erlaubt eine personalisierte Gesundheitsversorgung, eine intelligente Verkehrs- und Produktionsorganisation und die dezentrale Herstellung von Konsumgütern und Nahrungsmitteln aus nachwachsenden regionalen Rohstoffen und Recyclingmaterialien. Die angestrebte technologiebasierte Bedarfswirtschaft entsteht mit dem Zusammenwachsen wesentlicher Schlüsseltechnologien aus den Disziplinen Biologie, Produktionstechnik und Datenverarbeitung. Hier entwickelt sich eine fortschrittliche Wirtschaftsform, welche die physikalischen Grenzen unseres Planeten berücksichtigt. In der biointelligenten Wertschöpfung wandeln sich auch die Art des Konsums und die verwendeten Materialien grundlegend.

Dezentrale, hochflexible und adaptive Smart Biomanufacturing Devices (SBMD) revolutionieren einen Großteil der Konsumprodukte. Diese Produktionseinheiten sind mit selbstlernenden Algorithmen gekoppelt, um regional zur Verfügung stehende biobasierte Materialien aufzubereiten (u. a. Bioreaktoren, Bioraffinerien) oder direkt zu Produkten mit neuartigen Funktionalitäten zu verarbeiten. Dabei kommt Additive Manufacturing zum Einsatz. Haushalts- und Agrarabfälle, hocheffiziente Urban-Gardening-Anlagen, horizontale Gärten oder Mikroalgenreaktoren an Gebäudefassaden, aber auch die ausgedienten Produkte selbst, sind Rohstoff- und Energiequellen. Industrieunternehmen liefern die Technologien für diese SBMD. Sie stellen kommunale Fertigungszentren für komplexere Produkte zur Verfügung und entwickeln im engen und direkten Austausch mit den Konsumenten die digitalen Baupläne für neue Produkte. Unternehmen müssen nun also neben dem Informatik-Knowhow dringend auch das biologische Know-how aufbauen, um zukünftig ausgewogen Soft-, Hard- und Bioware in die Gestaltung von nachhaltigen Lösungen einfließen zu lassen.

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