Die sensorgestützte Wirtschaft

Der kleine elektronische Sensor hat große Auswirkungen auf unser Leben. Der kleine elektronische Sensor verwandelt täglich und rund um die Uhr Datenströme in lebensverändernde Entscheidungen.

Der Nutzen kann enorm sein. In den letzten Jahren haben Sensoren eine entscheidende Rolle für das Internet der Dinge (IoT) gespielt. Hunderte Milliarden von Sensoren sind bereits in einer Vielzahl miteinander vernetzter physischer Objekte integriert und ermöglichen so eine Verbesserung unserer Lebensqualität. Angefangen von anspruchsvollen medizinischen Versorgungsgeräten zur Fernüberwachung unserer Herzfrequenz und Medikamenteneinnahme bis hin zu Systemen, mit denen Sie verloren gegangene Schlüssel aufspüren, den Ofen über Ihr Smartphone ausschalten oder die Bewässerung Ihrer Zimmerpflanzen regeln können.

Das ist aber erst der Anfang.

„Als nächste Stufe in diesem neuen Zeitalter der Metadaten werden wir Verhaltensmuster entdecken, von denen wir bislang noch gar keine Ahnung hatten“, so Brian Ream, leitender Anwendungstechniker für Sensoren bei TE. „Sensoren werden uns schon bald so weit bringen, dass wir enorme Mengen an Daten sehr schnell sammeln, synthetisieren und interpretieren können.” Mit dem zunehmenden Einzug von intelligenten Objekten in unseren vernetzten Alltag werden mithilfe der immer größeren und reichhaltigeren Datensätze, die diese Geräte liefern, viele neue Möglichkeiten entstehen. In Bezug auf unseren Alltag, unser Lebensumfeld, können Wissenschaftler und Experten aus einer Reihe von Branchen potenziell genauere Vorhersagen treffen und Erkenntnisse gewinnen – aber nur, wenn sie es schaffen, die eingehenden Informationen auch zu erfassen und zu verstehen. In Schwellenwirtschaften rund um die Welt kann sensorgesteuerte Technik die sozioökonomische Entwicklung begünstigen und die internationale Wettbewerbsfähigkeit eines Landes erhöhen. Das SWEETLab der Portland State University arbeitet an einer Reihe von Projekten, mit denen die Lebensqualität in benachteiligten Umgebungen verbessert und die Aufmerksamkeit auf das, was das Lab das „Internet of Broken Things“ nennt, gelenkt werden soll.“ Ihre Kontrollvorrichtungen sind in einer Reihe von Projekten im Einsatz, von Wasserpumpen in Kenia bis zu Kochherden in Indien und Wasserfiltern in Indonesien. Auf die gleiche Weise werden bei kleinen Landwirtschaftbetrieben in Vietnam mittels IoT-gesteuertem „Smart Farming“ die Produktionseffizienz verbessert, Schutz vor Schädlingen und Wetterschwankungen geleistet und die Qualität der angebauten Lebensmittel erhöht. Sensoren überwachen Bewässerungsgräben, die Abgabe von Dünger sowie Temperaturschwankungen. Dadurch können die Kosten gesenkt und das Risiko von Krankheiten gemindert werden.

Für viele Experten sind diese größeren gesellschaftlichen Fortschritte die spannendsten Entwicklungen in Bezug auf Sensoren. „Man begeistert sich schnell für die neuen Entwicklungen der hochmodernen Sensortechnik, aber dann würde man der Gesamtbedeutung dieser Entwicklung nicht gerecht werden“, gibt Chris Curran, Cheftechnologe bei PricewaterhouseCoopers, zu Bedenken. „Der wirkliche Vorteil – und gleichzeitig die größte Herausforderung – ergibt sich aus einer sinnvollen Nutzung der gesammelten Daten. 

Das Ziel jedes Sensors lässt sich relativ einfach beschreiben: Informationen sammeln (Vibration, Temperatur, Druck, Spannung), die in Algorithmen und Analysen einfließen und fundiertere Echtzeitentscheidungen ermöglichen. Je mehr Daten mit den Sensoren erfasst werden, desto besser die Echtzeitanalyse dieser Informationen. Sensoren wurden ursprünglich für große und teure Industrieplattformen wie Triebwerke entwickelt, um besser fehlerhafte Teile in Produkten zu entdecken, bevor diese tatsächlich ausfallen. „Die meisten Sensoranwendungen kamen zuerst in Sicherheitssystemen zum Einsatz“, erklärt Steve Merkt, President der Sparte Transportation Solutions bei TE Connectivity. „Irgendwann landen sie dann auch in anderen Branchen."

Schätzungen eines Marktforschungsunternehmens zufolge wird die Zahl der vernetzten Objekte am Ende dieses Jahres bei 6,4 Milliarden liegen, 30 Prozent mehr als 2015, und bis 2020 auf 20,8 Milliarden steigen. Das IoT ist laut der National Science Foundation auf dem Weg zu einer Vernetzung von 50 Milliarden „Smart Things“ bis ins Jahr 2020 und rechnet danach mit 1 Billion Sensoren.

Mit Sensoren ausgestattete Geräte erzeugen bereits jetzt eine enorme Datenmenge. Branchenexperten schätzen, dass wir jeden Tag so viele Informationen produzieren wie zuvor von den Anfängen der Zivilisation bis zum Jahr 2003. Einige Experten gehen davon aus, dass 90 Prozent der weltweit erzeugten Daten aus den beiden letzten Jahren stammen. Mehr denn je sind Echtzeitanalysen ein wichtiges Instrument, um anhand datengestützter Erkenntnisse unsere Arbeitsweise und Produktionsprozesse noch effizienter zu gestalten.

„In vielerlei Hinsicht haben wir es hier mit einer sensorgestützten Wirtschaft zu tun“, erläutert Bob Brumley, Managing Director von Pegasus Global Holdings, einer Technologieentwicklungsfirma im US-Bundesstaat Washington. „Sensoren werden zu einer Plattform, auf deren Grundlage wir eine ganze Palette von Möglichkeiten schaffen können.“

Wie nehmen diese neuen Möglichkeiten Gestalt an? Wir haben mit einer Reihe von Experten gesprochen, um dies herauszufinden.

In der Medizin haben sich Sensoren bereits gut bewährt. In vielen Krankenhäusern werden wichtige Informationen für den Betrieb von Geräten und die Pflege von Patienten mithilfe von Sensoren überwacht. Bei Dialysegeräten beispielsweise überwachen Druck-, Kraft- und Temperatursensoren die Parameter, mit denen sichergestellt wird, dass weiterhin Blut durch den Körper des Patienten gepumpt wird. 

Sensoren sind auch Teil eines umfassenderen Trends der Verlagerung der Krankenpflege in den häuslichen Bereich. Dies wird zum Teil auch dadurch bedingt, dass laut ClearCare, einem in San Francisco ansässigen Hersteller von Software für ambulante Pflegedienste, fast 13 Millionen Senioren in den Vereinigten Staaten alleine zuhause leben. Medizintechnikfirmen hoffen, dass ältere Menschen mit diesen sensorgestützten Vorrichtungen länger ihre Selbstständigkeit bewahren können. Außerdem können sie einen Beitrag zur Senkung der Kosten für Pflegepersonal leisten. Solche medizinischen Hilfsmittel können Pillendosen sein, die anzeigen, ob sie geöffnet wurden, oder Socken, die den Gang einer Person überwachen. Vorrichtungen unter Kissen, die die Schlafdauer aufzeichnen, und sogar kleine Aufkleber auf der Haut zur Kontrolle der Körpertemperatur sind weitere Beispiele. Diese wichtigen Informationen werden zurück an einen Arzt gesendet, der dann reagieren kann, wenn etwas merkwürdig zu sein scheint.

Eine ähnliche Art der Überwachung kann schnell und einfach ohne Vorbereitung für alles von Blutdruck bis Blutzucker durchgeführt werden, sodass sich potenziell gefährliche oder tödliche Ereignisse abwenden lassen.

„Der menschliche Körper arbeitet bereits wie ein Computer, der von überall sensorischen Input, sprich Sinnesreize, bekommt“, beschreibt Ream. „Bald werden wir Sachen messen können, von denen bisher noch nicht einmal wissen, dass sie im Körper passieren. Je mehr von diesen Vorgängen wir erfassen und messen können, desto besser wird die Momentaufnahme vom Gesundheitszustand eines Patienten sein.“

Andere sensorgestützte Produkte können außerdem eine Rolle bei der Verbesserung der psychischen Gesundheit spielen. Designerin und Herstellerin Chloe Meineck hat die Music Memory Box entwickelt, ein Gerät, das demenzkranke Menschen unterstützen soll. Benutzer bringen RFID-Etiketten an vertrauten Objekten wie alten Urkunden oder kleinen Geschenken von früher an. Wird eines dieser Objekte in die Mitte der Music Memory Box platziert, erfasst ein Lesegerät die individuelle RFID-Nummer und spielt die passende Musik oder Geräusche ab, um so vielleicht ansonsten unzugängliche Erinnerungen des Patienten zu wecken. Das Projekt von Meineck stützt sich auf medizinische Forschung, die nachgewiesen hat, dass Musik, insbesondere ein Lied oder ein Stück aus der Vergangenheit des Patienten, bei unter Demenz leidenden Menschen eine Erinnerung auslösen kann.

Das autonome selbstfahrende Fahrzeug klingt ohne Frage verlockend.  Ungeachtet der zukunftsweisenden Möglichkeiten dieser Art der Mobilität, die uns aus vielen Science-Fiction-Filmen vertraut scheint, stellt sie sensorgestützte Technologien vor extreme Herausforderungen in puncto Fahrsicherheit und -effizienz. Dies hat damit zu tun, dass hier sogenannte Lidar-Sensoren (Light detection and ranging) eingesetzt werden müssen. Diese Sensoren erzeugen eine 3D-Karte der Umgebung des Fahrzeugs, indem Laserlichtimpulse ausgesendet werden, die dann von Objekten in der Nähe reflektiert werden. So können diese erkannt und ihre Nähe ermittelt werden. Lidar weist eine viel kürzere Reichweite als Radar auf, dafür ist die Auflösung aufgrund der kürzeren Wellenlänge sehr viel höher. Viele autonome Fahrzeuge verwenden einen Lidar-Sensor, der pro Sekunde 2,2 Millionen Datenpunkte in seinem Sichtfeld scannen und den Standort des Objekts bis zu einer Entfernung von 120 Meter zentimetergenau bestimmen kann.

Autonome Fahrzeuge sind durch drahtlose Kommunikation miteinander vernetzt. So ist eine Überwachung des Fahrzeugumfelds einschließlich Fußgänger und Fahrradfahrer möglich. Das Ergebnis: mehr Sicherheit. Bereits im Herbst 2017 könnte nach einem Gesetzesentwurf des US-Verkehrsministeriums und der Transportbehörde der Einbau von sensorgestützter Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation, auch V2V (Vehicle-to-Vehicle Transportation genannt), für alle neuen PKW verpflichtend eingeführt werden.

In Städten zu leben kann mitunter sehr anstrengend sein. Sie sind laut, dicht besiedelt und stressig. Aber das muss nicht immer so sein. Sensoren sorgen für deutliche Fortschritte in Bezug auf die gesundheitliche Belastung und den Stressabbau in städtischen Ballungsgebieten. Unternehmer in London beispielsweise experimentieren mit einem sensorgestützten Überwachungssystem, das zur Unterstützung von Menschen gedacht ist, die einer konstanten Belastung durch lauten Fluglärm ausgesetzt sind. Diese Art von Stress erhöht erwiesenermaßen das Risiko einer Herz-Kreislauf-Erkrankung. Das System sammelt über ein Sensornetzwerk in der Nähe von Flughäfen Lärmdaten, um auf die möglichen Gesundheitsrisiken einer anhaltenden Belastung durch den Lärm von Triebwerken aufzuklären. Die Entwickler wollen anhand der gesammelten Beweise den Bau einer dritten Landebahn im Flughafen Heathrow verhindern.

Das größte und vielleicht innovativste Projekt stammt aus einer Stadt, die eigentlich gar keine richtige ist. Das Center for Innovation, Testing and Evaluation (CITE) ist eine künstliche Stadt, die in der Wüste New Mexicos ungefähr 100 km nördlich der Grenze zu Mexiko gebaut wird. Das von Pegasus Global Holdings geschaffene CITE ist einer durchschnittlichen US-amerikanischen Kleinstadt mit einer Einwohnerzahl von 35.000 und einer Fläche von ungefähr 40 km² nachempfunden. Das CITE enthält große Bürogebäude, kleine Gassen, Parks, Wohnhäuser, Kirchen, eine Nachbildung einer Autobahn, eine Tankstelle und sogar ein Einkaufszentrum. Allerdings keine Bewohner.

Das CITE stellt eine Art Testlabor für groß angelegte Experimente mit sensorgestützten Technologien und Vernetzung unter realitätsnahen Bedingungen dar. Getestet werden können zum Beispiel intelligente Transportsysteme (auf Künstliche Intelligenz gestütztes Verkehrsmanagement und der Einsatz von fahrerlosen Lieferfahrzeugen), Alternative Energieerzeugung (inklusive Solar- und geothermischer Energie) und Smart-Grid-Technologien. Auch für Versuche in den Bereichen Datenerfassung, Sensoren, Überwachung von öffentlichen Plätzen, Computersysteme und Sicherheit bietet sich das CITE an.

„Wir versuchen, eine weitläufige und immersive sensorgestützte Umgebung zu schaffen, in der der Welleneffekt, also wie ein System weitere beeinflusst, beobachtet werden kann“, so Brumley. „Wenn erstmal alles miteinander vernetzt ist, beginnt der spannende Teil der Arbeit.“

Ob in der Krankenpflege, Stadtplanung oder im Verkehr, Sensoren spielen eine entscheidende Rolle in einer neuen auf Maschinen basierenden Zeit der globalen Effizienz, die lernfähig sind und Vorhersagen treffen können. Immer mehr Geräte und Vorrichtungen erfüllen dank der integrierten Sensoren auf effiziente Weise neue und wichtige Aufgaben. Es liegt nun an der nächsten Generation an Entwicklern, Innovatoren und Visionären, die nahezu unendlichen Möglichkeiten einer datenorientierten Welt zu erschließen. Durch die Überwachung und Interpretation der enormen Datenmengen, die Sensoren erzeugen, können wir intelligentere Entscheidungen treffen, mit denen wir ein gesünderes und zufriedeneres Leben führen können.