Forum Junge Spitzenforschung

Thema 2023: Sensoren und Datenanalyse im praktischen Einsatz

Eine Vielzahl an Prozessen und Produkten, die wir heute kennen, wären ohne Sensoren und Systemen, welche messen und analysieren, nicht möglich – und Sensoren und Datenanalyse werden zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die Forschung an und mit Sensoren sowie an Systemen für die Analyse sensorbasierter Daten legen somit den Grundstein für viele Zukunftstechnologien.

Im Rahmen des Forum Junge Spitzenforschung sucht die Stiftung Industrieforschung und die Humboldt-Innovation GmbH zusammen mit den Berliner Universitäten Freie Universität Berlin, Humboldt-Universität zu Berlin und Technische Universität Berlin sowie der Charité – Universitätsmedizin Berlin nach innovativen Anwendungsideen von Nachwuchsforschenden jeder Disziplin, welche auf Basis ihrer exzellenten Forschung mit Sensoren und der Analyse sensorerfassbarer Daten entstanden sind und den Horizont sensorbasierter Zukunftstechnologien erweitern.

Innovative Sensoren und Datenanalyse sind effizienter, widerstandsfähiger, smarter und weisen oft auch ganz neue Eigenschaften auf, die wiederum spannende Technologien in der Zukunft ermöglichen. Sie tragen dazu bei, eine lebenswertere Zukunft zu erhalten oder zu ermöglichen, indem sie Querschnittsthemen adressieren, bspw. indem sie Ansprüchen der Nachhaltigkeit gerecht werden oder Innovationen im Bereich der Gesundheit und Lebensqualität ermöglichen. Von der Nährwerteanalyse & Qualitätsmanagement in der Lebensmittelindustrie bis hin zu autonomem Fahren, Warnsystemen, und Virtual-Reality-Anwendungen – nachfolgend eine nicht abschließende Liste von Beispielen für den Einsatz von Sensoren und sensorgestützten Systemen der Datenanalyse:

Effizienz

Effiziente und präzise Sensoren sind überall dort wichtig, wo es auf Feinheit und Genauigkeit ankommt wie bspw. bei Assistenzrobotern in der Medizin und/oder Messungen unter schwierigen Betriebs- und Umgebungsbedingungen (Rauschen, elektromagnetische Strahlung, Hitze, etc.) stattfinden müssen wie etwa in der Stahl- und Eisenindustrie. Gestützt durch künstliche Intelligenz und maschinellem Lernen sind sensorbasierte Daten integraler Bestandteil vieler Innovationen der Prozessoptimierung und Effizienzsteigerung: z.B. in der Landwirtschaft, wo über das Messen und Analysieren von pH-Werten oder Feuchtigkeit die Optimierung von Düngermittelgabe, Bewässerung und Ertrag ermöglicht wird oder in den Städten, wenn Verkehrsströme durch optische Sensoren erfasst und durch intelligente Datenanalyse als Verkehrsleitsysteme in Echtzeit angepasst werden können.

Haltbarkeit

Datenanalyse und Sensoren sind maßgeblicher Bestandteil von Predictive Maintenance und Echtzeit-Überwachungssystemen. Bspw. in der Produktion zur Überwachung von Abnutzung und Verschleiß bei Maschinen oder bei der Gebäudeinstandsetzung. So können Reparatur- und Wartungsmaßnahmen rechtzeitig ergriffen und die Haltbarkeit und Lebensdauer erhöht sowie kostspielige Ausfälle verhindert werden. Aber auch die Haltbarkeit der Sensoren selbst kann viele Technologien ermöglichen und verbessern, z.B. wenn Blutzuckerwerte über einen Sensor unter der Haut kontinuierlich gemessen werden – und eine gesteigerte Haltbarkeit des Sensors weniger invasive Eingriffe für die Patient:in bedeutet.

Smartness

Zu den smarten sensorgetriebenen Systemen zählen Internet of Things-Anwendungen oder ganzheitliche Konzepte wie die Smart City oder Industrie 4.0. Solche Anwendungen sammeln und analysieren Umgebungsdaten, um bspw. Automatisierungen zu ermöglichen oder auf Zustand und Ereignis zu agieren. (Heim-)Sicherheitssysteme, automatisierte Heizungs- und Beleuchtungssteuerung, städtische Verkehrs- und Emissionsüberwachung sowie die füllstandabhängige Leerung von Abfallcontainern eines intelligenten Abfallmanagements sind nur wenige Beispiele solcher Anwendungen. Auch Elektrokleingeräte wie Smartphones und Smart Watches kommen nicht ohne Sensoren und Datenanalyse aus; von der Gesichtserkennung bis zum Pulsmesser und Schrittzähler.

Neue Eigenschaften

Neue Eigenschaften von Sensoren erlauben neue Innovationen und Einsatzgebiete. So ermöglichen 3D-druckbare Sensoren die Integration von Sensortechnologie in individuell angepasste Produkte oder Prototypen. Arbeits- und Produktionsprozesse, welche um sensorgestützte Augmented Reality-Anwendungen erweitert werden, können zusätzliche Informationen bereitstellen und die Arbeit für den Menschen erleichtern. Smart Clothes erlauben u.a. dank integrierter Sensoren, dass Kleidungsstücke nicht nur modisch oder funktional sind, sondern auch über neue Fähigkeiten wie das Erfassen und Überwachen von biometrischen Daten verfügen.

Fairness & Soziale Gerechtigkeit

Wie können technologische Innovationen im Themenfeld Sensoren und Datenanalyse dazu beitragen, soziale Ungerechtigkeit abzubauen und Werte der Gesellschaft aufrecht zu erhalten? Bspw. indem die Schwächsten unserer Gesellschaft in den Mittelpunkt gestellt werden. Hitzekarten, die Klima- und Temperaturdaten analysieren und anzeigen, wo es in der Stadt am heißesten ist, geben in heißen Sommern Auskunft, wo vulnerable Gruppen wie bspw. ältere Menschen Abkühlung erhalten können. Ganzheitlich gedachte Sensor- und Datenanalysesysteme, die auf Ebene der Hard- oder Software Datentransparenz und -schutz ins Design aufnehmen, tragen zur Datensouveränität der Nutzer:innen bei.

Nachhaltigkeit

Zero Waste und Circular Economy sind zwei Konzepte, deren Umsetzung zu einer gesellschaftlichen nachhaltigen Lebensweise und Wirtschaft führen sollen. Innovationen in der Sensorik und Datenanalyse können einen Beitrag leisten, diese große gesellschaftliche Herausforderung anzugehen: In der Lebensmittelindustrie etwa können sie dazu beitragen, Lebensmittelabfälle zu reduzieren, indem sie die Frische von Produkten überwachen. In der Produktion minimieren sie den Ausschuss. Erfassung, Identifikation und Bewertung von gebrauchten Ersatzteilen bringt Eigenschaften der Kreislaufwirtschaft in die industrielle Instandsetzung. Aber auch die Sensoren selbst könnten nachhaltig gestaltet werden: So sind zuletzt von Schweizer Forscher:innen biologisch abbaubare und 3D-druckbare Sensoren auf Cellulose-Basis gelungen.

Schonung von Ressourcen

Viele Ressourcen sind nicht zuletzt durch den Klimawandel schon heute knapp. Sensoren und Daten analysierende Systeme können einen Beitrag leisten, Ressourcen effizient zu verteilen und somit zu schonen. Über die Messung von Bodenfeuchtigkeit, Niederschlagsmenge, Saftfluss etc. lässt sich die optimale Gießmenge bestimmen und somit Wasser einsparen oder durch ganzheitliche smarte Sensorsysteme in Gebäuden kann der Energie- und Wärmeverbrauch gesenkt werden, indem über durch Sensoren zur Verfügung gestellte Daten Raumtemperatur oder Beleuchtung optimiert wird.

Klimafreundlichkeit & -neutralität

Viele Technologien und unsere Lebensweise als Gesellschaft haben einen negativen und bleibenden Einfluss auf Umwelt und Klima. Sensoren und intelligente Datenanalyse können ein Bauteil auf den Weg hin zu einer klimafreundlichen und -neutralen Zukunft sein. Es lassen sich u.a. Emissionen überwachen oder Daten zum Klima erfassen und verarbeiten, um ggf. Gegenmaßnahmen einzuleiten oder die Ausbeute erneuerbarer Energiequellen bspw. in Form von Solartrackern für die optimale Ausrichtung von Photovoltaik-Anlagen erhöhen. Eine möglichst klimaneutrale Herstellungs- und Bauweise von Sensoren ist unter den Innovationen wünschenswert.

Gesundheit & Lebensqualität

Im Bereich der Medizin und E-Health sowie Wearables sind viele Innovationen sensor- und datengestützt. Sie können in der Gesundheitsversorgung genutzt werden, um Vitaldaten von Patienten zu überwachen und so die Behandlung zu verbessern und ggf. in Echtzeit anzupassen. Darüber hinaus können sie älteren Menschen in ihrem Alltag unterstützen, beispielsweise durch Sturzerkennung oder Erinnerungsfunktionen für Medikamente. In der Sportwissenschaft helfen Sensoren und die Analyse von bspw. biometrischen und Bewegungsdaten, das Training zu optimieren und Verletzungen zu vermeiden. Im Bereich der Lebensmittelqualität lässt sich der Nährstoffgehalt von Lebensmitteln bestimmen. Dank Sensoren lässt sich auch die Schadstoffbelastung in der Luft ermitteln und verarbeiten, um ggf. mit geeigneten Maßnahmen gegensteuern zu können.

Inklusion & Gendergerechtigkeit

Als Teil von Innovationen für gesellschaftliche Teilhabe und Inklusion spielen Sensoren und Daten eine immer wichtigere Rolle. Bspw. in der Prothetik, wo sie u.a. drahtlose Muskelsignalübertragung oder sensorisches Feedback ermöglichen sollen, in Ambient Assisted Living Systemen älteren, beeinträchtigten Menschen ein weitestgehend selbstständiges Leben ermöglichen oder als 3D-Scanner blinden Menschen bei der Navigation helfen können. Ohne eine geeignete Datenverarbeitung und -analyse wäre eine technische Übersetzung von Gebärdensprache in Text oder Sprache und zurück nicht möglich. Außerdem liegen noch heute vielen Modellen, Krankheitsbildern, etc. überwiegend Daten männlicher Personen zugrunde. Oft als Femtech betitelte Innovationen schieben daher den Fokus auf nicht-männliche Personen und ihre spezifischen Bedürfnisse.

Versorgungssicherheit

Belastbare sensorgestützte Distributionssysteme können dank Datenanalyse einen Teil zur Versorgungssicherheit beitragen, indem sie Knappheit oder Ausfall prognostizieren und Ressourcen umleiten können. Z.B. im Energiesektor, um bei Ausfällen kritische Infrastrukturen wie etwa Krankenhäuser weiterhin mit Energie zu versorgen oder Defekte in Wärme- oder Wasserverteilungssystemen frühzeitig detektieren zu können, so dass Ausfall vorbeugende Maßnahmen getroffen werden können. Sie können in der Logistik zur Überwachung der Lieferkette eingesetzt werden, um Ausfälle oder Verzögerungen zu vermeiden oder aber Transport- und Lagerbedingungen (Feuchtigkeit, Temperatur, etc.) zu überwachen, um fragile Güter wie bspw. Lebensmittel zu schützen.