Nahaufnahme Hand, dahinter Hardware

Informatiker zwischen IT und Science-Fiction

Sprechende Autos und intelligente Häuser – Science-Fiction oder dank IT in der Welt von morgen Realität?

Wir schreiben das Jahr 2015:

Auf den Straßen fliegen lautlos Autos, Jugendliche flitzen mit schwebenden Skateboards, sogenannten ›Hoverboards‹ durch die Gegend und das Wetter wird sekundengenau vorhergesagt. Dem ein oder anderen wird diese Szenerie vielleicht bekannt vorkommen. Genau so erlebt Michael J. Fox alias Marty McFly die Welt im zweiten Teil der Science-Fiction-Trilogie ›Zurück in die Zukunft‹. Schon lustig wie sich 1989 die Menschen beziehungsweise die Macher des Films die Zukunft vorgestellt haben. Tatsächlich sind fliegende Autos und Toys auch für uns noch weit entfernt, dafür hat unser heutiges Leben die Fantasien der 1980er weit übertroffen. 

Vor 24 Jahren spielte man Musik noch über Kassette mit einem Walkman ab und man benötigte Kleingeld, um von einer Telefonzelle aus zu Hause anzurufen. Das ist zwar noch kein Kapitel in einem Geschichtsbuch, aber es erscheint dennoch – um es mal mit einem anderen Science-Fiction-Klassiker zu sagen – wie ›vor langer Zeit in einer weit, weit entfernten Galaxie‹. Ob Musik hören oder telefonieren, für beides hat man heute ein mobiles Gerät in der Hosentasche, das als Smartphone abermals eine Steigerung erfahren hat. Statt Briefe schreibt man E-Mails, anstelle von Zeitungen liest man ePaper und kaum einer greift noch zum eingestaubten Lexikon, wenn es doch die Online-Enzyklopädie Wikipedia gibt, die ständig aktualisiert wird. In den letzten 15 Jahren haben wir erlebt, wie das Internet die Welt verändert und unseren Alltag revolutioniert hat. Das alles hätte 1989 kaum einer für möglich gehalten, obwohl das World Wide Web wie wir es kennen in eben diesem Jahr am CERN entwickelt wurde.

Was wird uns die IT als nächstes bringen?

Obwohl es kritische Stimmen gibt, die behaupten, von der IT könnte kein Innovationsschub mehr kommen, ist ihr Potenzial noch längst nicht erschöpft! Doch wie könnte die Welt in 20 Jahren aussehen? Die Menschen wohnen in intelligenten Häusern, die mitdenken und ein Fenster schließen, wenn sie es vergessen. Es gibt keine Staus und Unfälle mehr, denn die Fahrzeuge sind untereinander vernetzt und sorgen vor. Rechner sind mit dem Gehirn verbunden und werden allein durch Gedanken gesteuert. Der Computer wird zu einer Erweiterung des Menschen und Musik ertönt nicht mehr über Lautsprecher, sondern nur im Kopf. Bargeld und Kreditkarten werden überflüssig – denn man bezahlt per Netzhautscan. Hört sich weit her geholt an? Tatsächlich ist die ferne Zukunft näher als gedacht und an all dem wird gerade geforscht.

So zum Beispiel Axel Helmer, Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei OFFIS, einem Forschungsinstitut der Universität Oldenburg, das sich mit der Erforschung, Entwicklung und Erprobung von IT in den drei Anwendungsbereichen Verkehr, Energie und Gesundheit beschäftigt.

»IT und alles, was damit zusammenhängt hat mich schon immer interessiert. Der Grund liegt in meiner Begeisterung für Science-Fiction-Literatur und -Filme in denen sich zeigt, dass Technologie auch immer einen Einfluss auf gesellschaftliche Entwicklungen ausübt«, berichtet er.

Der Informatiker arbeitet an dem interdisziplinären Projekt ›Gestaltung altergerechter Lebenswelten‹ (GAL), in dem Assistenzsysteme erforscht werden, die ein besseres, längeres und selbstbestimmtes Leben im Alter ermöglichen sollen. In Zeiten des demografischen Wandels liegt die Notwendigkeit der Forschung in diesem Bereich auf der Hand. Gleichzeitig möchten viele ältere Menschen aber auch gerne so lange zuhause leben, wie es ihnen ihre Gesundheit erlaubt.

»In GAL möchten wir sie dabei unterstützen und so letztlich auch die Kosten für Heim- oder Krankenhausaufenthalte so weit wie möglich einsparen«, berichtet der 33-Jährige. 

Aktuell arbeitet das Team von GAL an drei Assistenzsystemen. Das erste System soll dabei helfen, erste mentale Funktionsverluste zu kompensieren. Mit unaufdringlichen Mitteln wie Licht und Vibration zeigt das System dem Nutzer die Dringlichkeit eines Termins oder einer Aufgabe an.

»Mit dem zweiten Assistenzsystem erfassen wir die Aktivitäten eines Bewohners anhand der Nutzung elektrischer Geräte, die für die Ausführung dieser Aktivitäten verwendet werden. So kann zum Beispiel die Aktivität ›Frühstück‹ daran erkannt werden, dass morgens die Kaffeemaschine und der Toaster verwendet werden. So detektieren wir auch schleichend stattfindende Verhaltensänderungen, die etwa frühe Anzeichen einer Demenz sein können«, erklärt Helmer.

Das System detektiert auch gefährliche Handlungen, zum Beispiel wenn vergessen wurde, den Herd auszuschalten. Das dritte Assistenzsystem dient der Prävention und der Erkennung von Stürzen. Es verwendet körpernahe und in die Umgebung integrierte Sensoren, um einen Sturz oder eine Sturzgefährdung zu erkennen und notfalls Hilfe anzufordern. Helmers Aufgabe in dem Projekt ist die Entwicklung einer elektronischen Gesundheitsakte – das ist ein Informationssystem, das die Daten der verschiedenen Assistenztypen sammelt und den Menschen zur Verfügung stellt, die unterstützt werden sollen. Um herauszufinden, welche Mittel geeignet sind, um den Senioren zu helfen, führt er viele Gespräche mit Experten und Anwendern. Mit dem gewonnenen Wissen erstellt er Modelle, die in den Assistenzsystemen und der Gesundheitsakte eingesetzt werden. Die benötigte Hard- und Software ist soweit entwickelt und – vorwiegend im Labor – mit bis zu 50 Probanden evaluiert.

»Währenddessen haben sich unsere Projektpartner mit den gesellschaftlichen Folgen einer Einführung unserer Systeme, der Bereitschaft zur Techniknutzung und den volkswirtschaftlichen Konsequenzen auseinandergesetzt. Auf Basis dieser Ergebnisse haben wir die Systeme verbessert und erproben sie nun im Rahmen von Feldtests in den Wohnungen verschiedener freiwilliger Probanden«, berichtet Helmer über den Fortschritt des Projekts.

Damit den Menschen wirklich geholfen wird, müssen die Ergebnisse in die Wirtschaft übertragen und die vielversprechendsten Produkte in den nächsten Jahren bis zur Marktreife weiterentwickelt werden. Dafür sind Kooperationen mit Wohnungsbaugesellschaften, Pflegeheimen und entsprechenden Förderprogrammen notwendig. 

Die Idee eines intelligenten Hauses ist also gar nicht so abwegig wie Helmers Arbeit an den Assistenzsystemen zeigt.

Bis die heutige Studentengeneration Hilfe im Wohnbereich benötigt, wird es hoffentlich noch lange dauern. Allerdings könnten unsere Häuser auch schon früher mit intelligenten Einheiten ausgestattet werden, zum Beispiel im Bereich der Energietechnik. Beim Energieversorger N-Ergie in Nürnberg gibt es zum Thema ›Intelligente Messsysteme‹ ein bereichsübergreifendes Projekt, das sich mit der neuen Technologie und zukünftigen Einsatzszenarien beschäftigt. Die Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) spielt dabei eine zentrale Rolle. Harald Leng ist Referent für IT-Strategie und IT-Architektur bei der itecPlus GmbH, einem Tochterunternehmen der N-Ergie, und als Ansprechpartner für die IKT in das Projekt eingebunden. Was muss man sich unter intelligenten Messsystemen vorstellen? »Das Energiewirtschaftsgesetz definiert intelligente Messsysteme als eine ›in ein Kommunikationsnetz eingebundene Messeinrichtung zur Erfassung elektrischer Energie‹. Das heißt, neben der bereits bekannten Messeinrichtung, dem Zähler, wird es zukünftig noch eine Kommunikationseinheit, das sogenannte ›Smart Meter Gateway‹, geben. Dieses Gateway ist für die Einbindung der Messeinrichtungen und für die elektronische Erfassung, Verarbeitung und Versendung von Messwerten über eine gesicherte IP-Verbindung zum Energieversorgungsunternehmen zuständig«, erklärt der Ingenieur für Elektrotechnik. Die Intelligenz liegt in der Summe der Möglichkeiten, die sich in Verbindung mit den neuen Messsystemen ergeben. Durch die Kommunikationsverbindung sind sie die Verknüpfung mit dem intelligenten Energienetz – dem Smart Grid.

»Dem Kunden könnten dann seine aktuellen und historischen Verbrauchswerte über ein Portal visualisiert und maßgeschneiderte Produkte und Dienstleistungen angeboten werden. Die Daten könnten aber auch für eine optimierte Energiebeschaffung oder zur intelligenten Steuerung der Energienetze genutzt werden«, erläutert der 41-Jährige die Vorteile der neuen, intelligenten Messsysteme.

Der Verbraucher kann dabei selbst entscheiden, welche Daten er für den Energieversorger freigibt. Es ist weiterhin möglich, die Werte einmal jährlich ablesen zu lassen, aber eben auch im Viertelstundentakt. »Aktuell sieht die gesetzliche Regelung eine Einbaupflicht für Neubauten und größere Renovierungen, bei Verbrauchern mit einem Jahresverbrauch von über 6.000 Kilowattstunden (KWh) und bei Einspeiseanlagen, wie Photovoltaikanlagen, mit einer Jahres-Einspeisemenge von über 7.000 KWh vor«, erzählt Leng. Die ersten intelligenten Messsysteme werden wohl ab 2015 eingebaut werden. Einen wichtigen Punkt müssen Gesetzgeber und Energieversorger bei den intelligenten Zählern aber berücksichtigen – den Schutz vor Hackerangriffen. Daher ist auch das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnologie involviert und erstellt ein Schutzprofil für intelligente Messsysteme.

»Das aktuell vorliegende Schutzprofil weist eine sehr hohe Sicherheitsstufe über eine Public Key In-frastructure und entsprechend hohen Zertifizierungsstandards für den Betreiber derartiger Systeme auf«, so Leng.

Die Sicherheit ist vergleichbar mit dem elektronischen Personalausweis beziehungsweise Reisepass. Die Systeme und ihre Umgebung werden aber natürlich auch von Hackern und Sicherheitsforschern auf mögliche Schwachstellen hin überprüft. All diese Maßnahmen sollen die Skepsis nehmen, damit die intelligenten Messsysteme das Leben vereinfachen können.

Unsere Häuser erhalten zukünftig also Bestandteile, die mitdenken, oder werden generalüberholt, wie wir es sonst nur von Promis und ihren Schönheits-OPs kennen. Apropos Operationen – wie wird sich die Welt der Medizin verändern? Werden den Menschen Schaltkreise implantiert und sie mutieren nach und nach zu Cyborgs? Na gut, das ist wirklich noch Zukunftsmusik. Tatsächlich aber wird an einer neuartigen Methode geforscht, menschliche ›Ersatzteile‹ zu erschaffen. Schon vor geraumer Zeit begann der Hype um 3-D-Drucker, die kostengünstig Prototypen herstellen können. Ihr Durchbruch ist nur noch eine Frage der Zeit, da die Technik qualitativ immer besser wird und erst vor Kurzem auf der CeBit zwei erschwingliche Modelle vorgestellt wurden. Das Projekt ›Biological Laser Printing‹ am Laser Zentrum Hannover e. V. arbeitet allerdings daran, ganz besondere Ergebnisse durch 3-D-Schichtdruckverfahren zu erhalten. Das Projekt, das zum Exzellenzcluster REBIRTH gehört, erforscht die Möglichkeit, lebende Zellen mit einem laserbasierten Verfahren zwei- und dreidimensional zu ›drucken‹. Ziel ist zum einen das ›Tissue Engineering‹, also Gewebe und langfristig Organe herzustellen und zum anderen, die Zellen reproduzierbar in definierten Mustern anzuordnen, um so Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Zelltypen und ihrer Umgebung zu untersuchen. REBIRTH steht dabei für ›from REgenerative BIology to Reconstructive THerapy‹.

Gewebe aus dem Drucker – das hört sich richtig utopisch an, aber wer bitte kommt auf sowas?

»Die Idee stammt von dem japanischen Mediziner Makoto Nakamura, der dies zuerst mit einem Tintenstrahldrucker versuchte. Da diese Technik jedoch erhebliche Nachteile hat, wurden später auch andere Methoden, wie unsere laserbasierte Technik verwendet«, berichtet Dr. Lothar Koch, Gruppenleiter in dem Projekt.

Doch Tissue Engineering arbeitet nicht nur mit Druck-Methoden. Auch abseits der Druckverfahren wurden schon Körperteile hergestellt und Menschen implantiert, zum Beispiel Blutgefäße, Herzklappen oder eine Blase. »Gedruckte Strukturen sind noch nicht in Menschen implantiert worden, aber wir haben schon Haut gedruckt, die von der Medizinischen Hochschule Hannover in Mäuse transplantiert wurde. Dies ist aber trotzdem noch Grundlagenforschung,« erklärt der Physiker. Parallel zu seiner Arbeit werden in der Medizin Verfahren erprobt, beliebige Zellen von Patienten umzuprogrammieren, also etwa Hautzellen in Herzmuskelzellen zu verwandeln. Wenn beides funktioniert, könnten in einem Krankenhaus der Zukunft bei einem Organversagen dem Patienten Zellen aus dem Fettgewebe oder der Haut entnommen werden. Diese müssten zunächst in Zelllaboren vermehrt und umprogrammiert werden, um aus ihnen ein Organ drucken zu können.

»Der große Vorteil zu heutigen Spenderorganen, von denen ja auch nicht genügend verfügbar sind, wäre, dass das gedruckte Organ vom Immunsystem nicht als Fremdkörper wahrgenommen und bekämpft würde. Der Patient müsste nicht lebenslang Medikamente, sogenannte Immunsupressiva, nehmen,« beschreibt der 39-Jährige das langfristige Ziel seiner Forschung.

Ist es mit dem laserbasiertem Druck denn möglich, jedes Organ nachzubilden? »Ein Gehirn oder auch Rückenmark könnten wohl nicht gedruckt werden, auch ein Auge eher nicht. Bei Röhren wie großen Blutgefäßen, Luftröhren oder Darmsträngen sind andere Methoden wohl sinnvoller. Aber Organe wie Herz, Leber, Niere oder Gewebe wie Haut, Knochen und Knorpel wären denkbar«, so Koch. Damit der medizinische Durchbruch aber gelingt, sind noch einige Schritte notwendig. So müssen etwa genügend geeignete Zellen für die Versuche zur Verfügung stehen. Bei bestimmten Zelltypen und bei Stammzellen ist das aber leider nicht der Fall, daher muss das Reprogrammieren der Zellen zuverlässig und ohne unerwünschte Nebenwirkungen funktionieren. In Gewebe, das dicker als 250 Nanometer ist, müssen Blutgefäße integriert werden, um die Zellen mit Nährstoffen zu versorgen. Die Durchmesser dieser Blutgefäße müssen allerdings verschieden sein. Außerdem benötigen die Zellen die richtigen Signale aus der gedruckten Umgebung, damit sie sich richtig verhalten.

»Es müssen wohl auch noch bestimmte Biowirkstoffe zugefügt werden. Welche, ist aber noch unbekannt«, ergänzt Koch.

Das gedruckte Gewebe, beispielsweise ein Herzmuskel, muss vor einer Implantation eventuell erst noch trainiert werden. Und nicht zuletzt ist auch eine weitgehende Automatisierung des Druckprozesses notwendig, da ein Organ aus sehr vielen Zellen besteht. 

Es sind also noch viele Herausforderungen zu bewältigen, aber das Ergebnis wäre äußerst spektakulär. Natürlich arbeiten viele Forscher in den verschiedensten Disziplinen daran, das Leben zu verlängern. In diesen Zusammenhang passt auch die Arbeit von Sebastian Engel, Doktorand im Bereich Fahrzeugsicherheit bei der Audi AG. In seinem Informatik-Studium belegte der 28-Jährige das Vertiefungsfach ›Mobile Multimediale Informationssysteme‹, in dem unter anderem Algorithmen gelehrt wurden, die in modernen Fahrassistenzsystemen für Kollisionswarnungen oder den Fußgängerschutz Anwendung finden. Im Bereich der Technischen Entwicklung arbeitet er nun an ›Car2X‹. Was sich anhört wie eine mathematische Formel bezeichnet die Kommunikation zwischen Fahrzeugen beziehungsweise die Kommunikation zwischen Fahrzeugen und ihrer Umwelt.

»Fahrzeuge tauschen hierbei unter anderem ihre GPS-Position, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung aus, um andere Fahrzeuge und deren Fahrbewegungen zu detektieren. Zusätzlich kann das Fahrzeug zum Beispiel mit Ampeln kommunizieren, um Informationen zu Umschaltzeiten zu erhalten«, beschreibt Engel.

Car2X soll folgende Nutzen haben: Ist ein Fahrzeug zum Beispiel hinter einer Kurve liegengeblieben, warnt es über Funkkommunikation herannahende Fahrzeuge und die Fahrer können frühzeitig abbremsen. Empfängt das Auto Informationen von einer Ampel, kann es dem Fahrer die optimale Geschwindigkeit für eine ›grüne Welle‹ anzeigen, was wiederum einen positiven Effekt auf Kraftstoffverbrauch und Verkehrseffizienz hat. Dass das Fahrzeug wie ›K.I.T.T.‹ in der Serie ›Knight Rider‹ mit dem Fahrer reden wird, ist leider nicht geplant. Stattdessen gibt es für die Warnung andere Möglichkeiten: Sie kann optisch auf dem Display erscheinen, akustisch über einen Ton oder haptisch per Lenkradvibration ablaufen. Letztlich ist es ein Merkmal, über das sich ein Hersteller von anderen abheben kann. Als Netzwerk wird ein spezielles ›Automotive WLAN‹ genutzt, ähnlich dem WLAN daheim.

»Für Car2X wurde allerdings ein spezielles Frequenzband reserviert, das nur für diesen Zweck verwendet werden darf«, erklärt Engel.

Damit die Car2X-Kommunikation funktioniert, muss der Informationsaustausch auf den gleichen Funkfrequenzen mit gleichen Nachrichtenformaten ablaufen. Daher arbeitet Audi in Standardisierungsgremien mit anderen Fahrzeugherstellern und Zulieferern zusammen, damit alle Autos ›die gleiche Sprache sprechen‹. Die Car2X-Kommunikation ist nicht verschlüsselt, das bedeutet, jeder Car2X-fähige Empfänger kann die Daten empfangen und interpretieren.

Der Kritikpunkt, dass es so zu einem ›gläsernen Fahrer‹ komme, liegt dabei nahe. Doch Engel kann diesen Vorwurf entkräften:

»Für die Fahrzeuge werden Pseudonyme verwendet, welche in gewissen Intervallen gewechselt werden. Eine ständige Verfolgung des Fahrzeugs über, an der Straße installierte, Car2X-Empfänger ist somit nicht möglich. Zudem werden keine personenbezogenen oder personenbeziehbare Daten verschickt.« Außerdem ist das Versenden von Car2X-Daten nur über ein spezielles Zertifizierungsverfahren mit Autorisierungsbehörden möglich, ähnlich dem Online-Banking.

»Es kann sich also nicht jeder an den Straßenrand stellen und Nachrichten verschicken, um beispielsweise so den Verkehr vor seiner Haustür umzuleiten«, führt Engel aus.

Natürlich ist die Car2X-Kommunikation umso wirksamer, je mehr Teilnehmer daran beteiligt sind. Engel vergleicht dies mit der Mobilfunkkommunikation. Auch hier gab es am Anfang nur wenige Handys auf dem Markt und es wurde selten ein mobiles Gespräch geführt. »Inzwischen sind das Handy und die ständige Erreichbarkeit aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Ähnlich wird es sich mit der Car2X-Kommunikation verhalten: Am Anfang werden erst wenige Fahrzeuge miteinander sprechen können. Die Penetration wird im Laufe der Zeit aber ansteigen und so die tatsächliche Vernetzung der Fahrzeuge ermöglichen«, beschreibt er die Startsituation von Car2X. Daher spielt die Infrastruktur eine wichtige Rolle in der Entwicklung der Kommunikation zwischen Autos.  Gerade am Anfang können Elemente der Infrastruktur die Verbreitung von Car2X unterstützen, »indem Ampeln, Baustellenschilder, Tankstellen oder Parkhäuser mit dem Fahrzeug kommunizieren«. Eine große Herausforderung muss Engel zusammen mit seinem Team aber noch bewältigen, bevor Car2X marktreif ist:

»Für Sicherheitsfunktionen brauchen wir ein sehr genaues Abbild der Fahrzeugumgebung. Bei der Car2X-Kommunikation ist die GPS-Positionsangabe ein elementarer Bestandteil, um dieses Fahrzeugabbild zu erstellen. Da diese Positionsangabe nicht immer ausreicht, müssen wir Lösungen finden. Wir verfolgen die Entwicklung der europäischen und russischen Satelliten-Positionierungssysteme ›Galileo‹ und ›GLONASS‹ daher sehr aufmerksam, da eine Verbesserung der Positionierungslösung sehr in unserem Interesse ist.«

Die Markteinführung ist trotzdem schon absehbar

Im europäischen ›Car2Car Communication Consortium‹ haben sich die europäischen Fahrzeughersteller darauf geeinigt, bereits 2015 die Car2X-Kommunikation verfügbar zu machen. Und schon wieder eine Aussicht auf das Jahr 2015. Diesmal allerdings nicht aus dem Jahr 1989, sondern viel zeitnaher und damit realistischer. In unserer unmittelbaren Zukunft erwarten uns also intelligente Messsysteme und Autos sowie Assistenzsysteme, die ältere Menschen in ihrem Alltag unterstützen. Vielleicht warten in 25 Jahren Pflegeroboter auf die älteren Menschen? Natürlich kann die Zukunft auch ganz anders aussehen, denn anstatt wild zu fantasieren, orientieren sich die Vorhersagen an Forschungsprojekten der Gegenwart. Vielleicht wird eine komplett neue Erfindung das Leben verändern – die Macher von Science-Fiction-Filmen der 1980er-Jahren haben schließlich auch nicht mit der Entwicklung des Internets gerechnet!


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