Biointelligenz - Neue Chancen für eine nachhaltige industrielle Wertschöpfung

Robert Miehe, Johannes Full, Thomas Bauernhansl und Alexander Sauer

Die fortschreitende Digitalisierung verändert etablierte Wertschöpfungssysteme der industriellen Produktion bereits heute massiv. Es wird aber mehr und mehr offensichtlich, dass die Einführung von Cyber-Physischen Systemen zur Vernetzung 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 neuen Geschäftsmodellen erfordern die ergänzende systematische Anwendung von Wissen über natürliche Prozesse. 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. Die Fraunhofer Gesellschaft hat, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), in diesem Zusammenhang die hier ausschnitthaft präsentierte Voruntersuchung BIOTRAIN durchgeführt.

Die Biologische Transformation der industriellen Wertschöpfung beschreibt die systematische Anwendung von Wissen über die Natur und die Biologie in der Technik. Mit der zunehmenden Nutzung von Materialien, Strukturen und Prozessen der belebten Natur in der Technik wird eine Renaissance nachhaltiger Produktionsweisen mit innovativen Technologien ermöglicht. Künftige 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 Grundlagendisziplinen Biotechnologie, Ingenieurswissenschaften und Informationstechnik bereit. Methoden der adaptiven Datenverarbeitung (selbstlernendende Algorithmen) sind hierfür genauso wichtig wie die additive Fertigung oder biotechnologische Produktionsverfahren. Deren Kombination und die intelligente Vernetzung sind der Schlüssel zu einer biointelligenten Gesellschaft.
 


Bild 1: Integrationsebenen bzw. -systeme und Entwicklungsmodi der
Biologischen Transformation der industriellen Wertschöpfung [2]. Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft.

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, über Jahrmillionen evolutionär entstandene biologische 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 wurde in der Bionik bereits weitreichend angewandt.

In einem weiteren Modus findet das Wissen über die Biologie in Form 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.

Drittens führt die umfassende Interaktion zwischen technischen, informatorischen und biologischen Systemen, beziehungsweise die Verschmelzung dieser drei Integrationsebenen, zur Schaffung völlig neuer, autarker Produktionstechnologien und -strukturen, den sogenannten biointelligenten Wertschöfungssystemen. In den kommenden Jahren und Jahrzehnten werden solche Systeme für die industrielle Wertschöpfung massiv an Bedeutung gewinnen. Alle drei Entwicklungsmodi werden dabei eine entscheidende Rolle spielen und sind als parallele 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 – wie etwa die Genome Editing Technologie CRISPR/Cas – und in der Informationstechnik – etwa Neuronale Netze, Evolutionsalgorithmen –  deren Kopplung zu disruptiven Innovationen führen wird.
 


Bild 2: Anwendungs- und Technologiefelder einer Biointelligenten Wertschöpfung [2].
Quelle: Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA.

Die Vision: Eine technologiebasierte Bedarfswirtschaft

Die Biologie findet im Zuge der biologischen Transformation und den zugehörigen drei Entwicklungsmodi Inspirieren, Integrieren und Interagieren umfassend Einzug in die industrielle Wertschöpfung und ermöglicht den Menschen eine ökologisch ausbalancierte Befriedigung ihrer Bedürfnisse. Mit einer biointelligenten Wertschöpfung werden eine personalisierte Gesundheitsversorgung, eine intelligente Verkehrs- und Produktionsorganisation und die dezentrale Herstellung von Konsumgütern und Nahrungsmitteln aus nachwachsenden Rohstoff en und Recyclingmaterialien realisierbar.

Mit dem Zusammenwachsen wesentlicher Schlüsseltechnologien aus den Disziplinen Biologie, Produktionstechnik und Datenverarbeitung entwickelt sich eine fortschrittliche Wirtschaftsform, welche die physikalischen Grenzen unseres Planeten berücksichtigt: Die technologiebasierte Bedarfswirtschaft.
Die Pipeline-Ökonomie und der Supply-Chain Gedanke wandeln sich dabei zu dezentralen Plattform-Ökonomien mit intelligent geregelten Wertschöpfungskreisläufen und qualitativem anstatt quantitativem Wirtschaftswachstum. Biointelligente Wertschöpfungszellen sind keine abgegrenzten Entitäten mehr, wie vormals Fabriken oder Einzelmaschinen. Sie sind vielmehr in der Lage, ihre Architektur autonom und ad hoc zur optimalen Lösung eines Produktionsauftrags anzupassen und sich als regionale soziotechnische Zellen zu organisieren. Diese Zellen verfügen über alle notwendigen Informationen, um Ressourcen auszutauschen und diese intelligent zu nutzen. Sie können sich an Umgebungsbedingungen adaptieren und spontan und autonom untereinander vernetzen und kommunizieren.

Auch die Art des Konsums und der verwendeten Materialien wird sich durch die biointelligente Wertschöpfung grundlegend wandeln. Dezentrale, hochfl exible und adaptive Smart Biomanufacturing Devices (SBMD) revolutionieren einen Großteil der Konsumprodukte. Diese Produktionseinheiten sind mit selbstlernenden Algorithmen gekoppelt, um regional zur Verfügung stehende inhomogene, biobasierte Materialien aufzubereiten (u. a. Bioreaktoren, Bioraffi  nerien) oder direkt nach dem Prinzip der additiven Fertigung zu Produkten mit neuartigen Funktionalitäten zu verarbeiten. Haushalts- und Agrarabfälle, hocheffi  ziente Urban-Gardening-Anlagen, horizontale Gärten oder Mikroalgenreaktoren an Gebäudefassaden, aber auch die ausgedienten Produkte selbst, dienen als Rohstoff- und Energiequellen. Industrieunternehmen liefern die Technologien für diese SBMD, stellen kommunale Fertigungszentren für komplexere Produkte zur Verfügung und entwickeln im engen und direkten Austausch mit den Konsumenten die digitalen Baupläne für neue Produkte.
 

Zehn Handlungsfelder für die Biologische Transformation

Im Rahmen der von der Fraunhofer Gesellschaft durchgeführten und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Voruntersuchung BIOTRAIN wurden über 100 hochrangige Experten befragt und Workshops mit über 200 Teilnehmern durchgeführt. Es wurde dabei ein umfängliches Bild über die Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken Deutschlands im internationalen Vergleich gezeichnet und gleichzeitig über 250 Technologiebeispiele gesammelt, ausgewählte Use Cases entwickelt, die nötigen Basis- und Befähigertechnologien identifi ziert und bewertet sowie über 200 Forschungs- und über 150 Gestaltungsthemen benannt, die die industrielle Wertschöpfung, ausgehend von Deutschland, global maßgeblich verändern werden.

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