Die künstliche Intelligenz (KI) hat ein Problem: Viele sehen in ihr hauptsächlich einen Job-Killer. Dabei ermöglicht eine Kooperation zwischen Menschen und KI, das Design und die Fertigung von Gütern aller Art auf eine neue, bessere Grundlage zu stellen – indem der Mensch die KI im wahrsten Sinne des Wortes kuratiert. Wir sollten unsere Erwartungen gegenüber Künstlicher Intelligenz überdenken.

D
Die Rolle des Menschen als das intelligenteste Geschöpf auf der Erde wird möglicherweise nicht mehr allzu lange Bestand haben. Technologien wie künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen übernehmen Tätigkeiten, die bislang nur mit menschlicher Intelligenz zu bewältigen waren – und einige davon werden sie deutlich besser können als wir. Im kreativen Bereich werden sie heute bereits eingesetzt: Ein Beispiel ist das Gemälde „Porträt von Edmond de Belamy“ des französischen Künstlerkollektivs Obvious. Es wurde im Herbst 2018 in New York für mehr als 432.000 Dollar versteigert. Der Künstler dürfte allerdings davon kaum etwas abbekommen. Denn bei dem Schöpfer des Meisterwerks handelt es sich um den KI-Algorithmus „min G max D Ex[log(D(x))]+Ez[log(1-D(G(z)))]“.

Den Algorithmus von Obvious kann man leicht als Spielerei abtun. Doch sind KI-Systeme längst dabei, sich in handwerklich etablierten Branchen zu festigen. Dazu zählen der Fahrzeug- und Maschinenbau, das Bauwesen und die Architektur sowie die Konsumgüterindustrie. Auch dort sind gestalterische Fähigkeiten gefragt, beispielsweise beim Design von Produkten und der Optimierung von Produktionsabläufen. Hilfe von außen, also in Form von künstlicher Intelligenz, ist in diesen Bereichen durchaus willkommen, denn Fertigungsunternehmen sehen sich heute mit einer Vielzahl von Herausforderungen konfrontiert: Sie müssen schneller, effizienter und ressourcenschonender produzieren, dabei immer kürzere Produktzyklen „stemmen“ und dem Trend Rechnung tragen, dass sich Konsumenten und Unternehmenskunden maßgeschneiderte, individuelle Produkte wünschen.


Die Wegwerfgesellschaft alter Prägung ist langfristig nicht akzeptabel.


Weniger Ressourcen, höhere Qualität

Die Zunahme der Weltbevölkerung erfordert es, immer mehr Menschen mit Kleidung, Fahrzeugen, Konsumgütern oder Systemen zu versorgen, mit denen sie Energie, Trinkwasser und Nahrungsmittel erzeugen können. Außerdem müssen die Produkte an Qualität gewinnen, sprich – einfach besser werden. Die Wegwerfgesellschaft alter Prägung ist langfristig nicht akzeptabel. Es ist beispielsweise eine Verschwendung wertvoller Ressourcen, wenn ein Smartphone oder eine Waschmaschine entsorgt werden müssen, weil der Systemaufbau selbst einfache Reparaturen unmöglich macht. Hier kommt ein weiterer Leitgedanke zum Tragen: Design, Entwicklung und Produktion müssen so ausgelegt sein, dass die negativen Auswirkungen auf die Umwelt auf ein Mindestmaß begrenzt sind.

Zeitfresser Eliminieren

Exakt hier kommen KI-basierte Ansätze ins Spiel. Sie nehmen dem Fachmann aus Fleisch und Blut nervige Aufgaben ab, die viel Zeit kosten, aber wenig mit seiner eigentlichen Aufgabe zu tun haben: Er kann sich die Zeit sparen, die das Durchforsten von Datenbanken nach bereits erstellten Entwürfen erfordert und er muss sich nicht mit dem Export von Datenbeständen in ein einheitliches Format beschäftigen.

Ein Ansatz, der diese Aktivitäten überflüssig macht, ist generatives Design. Es kombiniert das Fachwissen und die Erfahrung von Menschen mit der Lernfähigkeit sowie der extrem hohen Arbeitsgeschwindigkeit von KI-Systemen, die auf die Rechenleistung und Speicherressourcen von Cloud-Computing-Umgebungen zurückgreifen können.

Doch wie sieht beim generativen Design die Kooperation zwischen dem Menschen und einer KI-Instanz aus? Vereinfacht gesagt „interaktiver“ als zwischen einem klassischen Arbeitsplatz und dessen Nutzer. Ein Produktdesigner erstellt nicht mehr mühsam drei oder vier Varianten eines Flugzeugsitzes oder eines Karosserieteils für ein Fahrzeug. Er gibt vielmehr vor, welche Anforderungen der Entwurf nach seinen Vorstellungen erfüllen muss. Solche Vorgaben sind beispielsweise die Werkstoffart, das Gewicht, die Belastbarkeit und der Kostenrahmen.

Interaktion von Designer und KI

Der Entwickler kann zudem weitere Parameter vorgeben, etwa die Verfahren oder die Maschinentypen, mit denen eine Komponente letztlich gefertigt wird. Dieser Punkt ist wichtig, um bereits in der Entwurfs­phase die Anforderungen von Herstellungstechniken zu berücksichtigen. Das macht es einfacher, Produkt­designs an eine Fertigungsumgebung weiterzureichen. Dies ist im Zeitalter der vernetzten Produktion unverzichtbar, Stichwort Industrie 4.0.

Ein KI-Algorithmus erstellt auf Basis dieser Vorgaben eine Vielzahl von Entwurfsvarianten – auf Wunsch Tausende solcher Modelle. Anschließend spielt die KI den Ball zurück zum Designer oder Konstrukteur. Dieser kann nun die Entwürfe prüfen und die Auswahl mithilfe verfeinerter Vorgaben weiter reduzieren, er kuratiert. Da generatives Design völlig frei denkt und unabhängig von konventionellen Produktionsmethoden ist, kann das Produkt nach Abschluss der Entwicklung am einfachsten durch additive Fertigung produziert werden. Denn Verfahren wie der 3D-Druck sind ungleich flexibler, können auch komplizierte Strukturen umsetzen und so das Potenzial von generativem Design voll ausschöpfen.

Ein solches Zusammenspiel zwischen KI-Instanzen und Entwicklern hat mehrere Vorteile, wie zum Beispiel kürzere Entwicklungszyklen. Dies alleine deshalb, weil ein Produktdesigner oder Konstrukteur im Schnitt etwa 60 bis 70 Prozent seiner Arbeitszeit für die genannten „nervigen Aufgaben“ verwendet. Diese entfallen nun ganz oder erfordern deutlich weniger Zeit.

Hinzu kommt, dass ein KI-gestütztes System bereits vorhandene Designs und Produktvarianten daraufhin überprüfen kann, ob sie sich als Basis für Neuentwicklungen eignen. Ein „lebender Katalog“ mit solchen Komponenten verhindert, dass dieselben oder ähnliche Komponenten und Produkte mehrfach entwickelt werden. Das schont Ressourcen und macht gleichzeitig individualisierte Produkte möglich.

Designer haben mehr Spass

Nicht zu unterschätzen ist ein weiterer Aspekt: Fallen durch Ansätze wie generatives Design weniger Routineaufgaben an, bleibt Entwicklern mehr Zeit für die wirklich wichtigen Dinge – das Designen von Produkten. Das zahlt sich nicht nur für den Arbeitgeber aus, sondern auch für den Mitarbeiter, da dieser seine Fertigkeiten und Kreativität in viel stärkerem Maße zum Tragen bringen kann.

Beide Punkte, eine höhere Effizienz und Zufriedenheit der Mitarbeiter, sind speziell heute wichtig: Laut einer Studie des Personaldienstleisters Manpower haben 51 Prozent der Unternehmen in Deutschland große Probleme, Fachkräfte zu finden. Eine moderne Arbeitsumgebung, die mehr Spielraum für gestalterische Tätigkeiten lässt, erhöht die Attraktivität eines Arbeitgebers.

Generatives Design kombiniert das Fachwissen und die Erfahrung von Menschen mit der Lernfähigkeit und der extrem hohen Geschwindigkeit von KI-Systemen.

KI braucht Werte

Trotz der Vorzüge, die eine Zusammenarbeit von Entwicklern mit KI-Algorithmen bietet, sollten potenzielle Risiken nicht unter den Tisch fallen. Einige Kritiker warnen davor, dass sich KI-Instanzen zu „unsterblichen Diktatoren“ weiterentwickeln könnten. Solche Szenarien sind bislang nur aus Science-Fiction-Filmen bekannt – und ausschließlich dorthin gehören sie auch. Wir sehen heute aber auch, dass schon vorhandene KI-Systeme wie zum Beispiel DeepMind von Google bereits beweisen, dass sie dem Menschen in Teilbereichen überlegen sind, etwa bei Strategiespielen wie Go und Schach.

Auf Kritik stoßen zudem KI-basierte Systeme, die Bürger anhand ihres „Nutzens” für die Gesellschaft bewerten. Dazu dokumentieren solche Lösungen die Aktivitäten eines Menschen, von seinen beruflichen und privaten Tätigkeiten bis hin zur Zahl der Strafzettel, die er kassiert. Ein solches Sozialkreditsystem will beispielsweise China im Jahr 2020 flächendeckend einführen.

Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, dass für die Entwicklung und den Einsatz von KI-Systemen Regeln erstellt werden. Sie sollen nicht als Fortschrittsbremse wirken, sondern negative Auswirkungen durch die Nutzung von KI minimieren. Für solche Regelwerke haben sich bereits mehrere Unternehmen aus dem Technologiebereich ausgesprochen, darunter Autodesk, Google und SAP.

Positive Job-bilanz

Ein weiterer Kritikpunkt scheint dagegen unbegründet zu sein: dass der Einsatz von KI-Lösungen und Robotern zu einer neuen Massenarbeitslosigkeit führen wird. Das hat technologischer Fortschritt jedoch noch nie ausgelöst. Bei der Dampfmaschine zum Beispiel waren die Sorgen riesig – tatsächlich hat sie mehr Arbeitsplätze geschaffen als überflüssig gemacht. Und das zeigen auch diesmal die Prognosen: Das Marktforschungshaus Gartner geht davon aus, dass bis 2020 weltweit rund 2,3 Millionen neue Arbeitsplätze durch KI entstehen. Dem stehen 1,8 Millionen Jobs gegenüber, die verloren gehen. Bis 2025 soll sich die Bilanz weiter verbessern. Bis dahin werden laut Gartner durch KI zwei Millionen Arbeitsplätze mehr entstanden sein, als durch diese Technologie entfallen sind.

Allerdings gilt es bei solchen Prognosen genauer hinzuschauen. So ist sehr wohl davon auszugehen, dass verstärkt Tätigkeiten von KI-Systemen und intelligenten Robotern übernommen werden, die eine geringere berufliche Qualifikation erfordern. Das hat das Beratungshaus PwC in einer Analyse zum Thema Nutzung von künstlicher Intelligenz in Deutschland festgestellt. Mitarbeiter, die anspruchsvollere Tätigkeiten ausüben, profitieren dagegen von KI-basierten Lösungen. Dies bedeutet, dass Staat, Gesellschaft und Unternehmen Wege finden müssen, dieses Ungleichgewicht auszutarieren. Eine Option wäre der Ausbau des Bildungsangebots und innerbetrieblicher Weiterbildungsmaßnahmen.


POSITIVE JOBBILANZ BIS 2020: 1,8 MIO. VERLORENEN ARBEITSPLÄTZEN STEHEN 2,3 MIO. NEUE ENTGEGEN

Quelle: Gartner

Funktionen von KI-Design in der Praxis

Erste KI-Softwareversionen für Design, Modellierung und Konstruktion sind bereits auf dem Markt. Ein Beispiel ist die cloudbasierte CAD/CAM- und CAE-Software Autodesk Fusion 360. Sie wurde um KI-Funktionen für das generative Design erweitert, und kommt unter anderem beim Forschungsprojekt Roboy 2.0 der Technischen Universität München zum Einsatz. Ziel des Projekts ist es, einen möglichst menschenähnlichen Roboter zu entwickeln.

Mithilfe von generativem Design haben die Forscher insbesondere die „Hüfte“ von Roboy 2.0 entwickelt. Durch dieses Verfahren gelang es, das Gewicht des Roboters deutlich zu reduzieren. Die Prototypen der entwickelten Komponenten werden in 3D-Objekte umgesetzt, die sich direkt über einen Drucker ausgeben lassen und mit herkömmlichen Methoden gar nicht zu produzieren wären.

Auf generatives Design in Verbindung mit 3D-Druck setzt auch der Automobilhersteller General Motors (GM), um neue Sitzkonsolen für seine Fahrzeuge zu entwickeln. Das Ergebnis: eine einzige Komponente aus Edelstahl statt einer aus acht Einzelteilen. Die neue Version ist laut GM 40 Prozent leichter und 20 Prozent robuster als ihr Vorgänger.

Dass KI individuelle Anforderungen besonders gut umsetzen kann, zeigt sich auch am Beispiel Airbus. Der Flugzeughersteller benötigte für seine Flugzeuge eine leichte, aber dennoch robuste Wand, die den Passagierbereich von der Bordküche trennt. Eine weitere Anforderung: Die Wand sollte so stabil sein, dass sie auch Sitze für das Bordpersonal aufnehmen konnte.

Ebenso wie GM entschied sich Airbus für das generative Design von Autodesk: Nur eine Designlösung, die über KI-Funktionen verfügt, war in der Lage, bei akzeptablem Aufwand die 10.000 Entwurfsoptionen für die bionische Trennwand – so die Bezeichnung der Komponente – zu erstellen. Dabei griff die Software auf Vorlagen zurück, die aus der Natur stammten: Der Algorithmus für den Rahmen der Wand basiert auf Wachstumsmustern von Schleimpilzen. Diese können mehrere Punkte auf hoch effiziente Weise miteinander verbinden. Für die Struktur innerhalb des Wandrahmens wiederum lieferte das Rastermuster von Säugetierknochen die Vorlage. Die Knochen weisen an besonders stark belasteten Stellen eine dichtere Struktur auf.

Das Resultat der Entwicklungsarbeiten ist eine Trennwand, die 45 Prozent leichter ist als die bislang verwendeten Komponenten, aber dennoch dieselbe Stabilität aufweist. Ein weiterer Vorteil ist, dass dank der gitterförmigen Struktur weniger Material für die Herstellung der Wand benötigt wird. Gefertigt werden die bionischen Wände mithilfe eines 3D-Druckverfahrens und einer von Airbus entwickelten Metalllegierung.

Auch die Umwelt profitiert

An diesem Beispiel wird zudem deutlich, dass sich Technologien wie KI und generatives Design auch für die Umwelt bezahlt machen. Denn durch den Einsatz bionischer Wände sinkt das Gewicht eines Airbus 320 um bis zu 500 Kilogramm. Jedes eingesparte Kilogramm senkt dabei den Treibstoffverbrauch eines Flugzeugs um 106 Kilo pro Jahr, und resultiert in einem niedrigeren CO2-Ausstoß sowie in einer höheren Umweltverträglichkeit.

Ferner benötigt Airbus für die Herstellung der neuen Trennwand 95 (!) Prozent weniger Rohmaterial als bei konventionellen Komponenten. Auch dies ist ein Beleg dafür, dass „intelligente“ Design- und Fertigungsverfahren nicht nur dem Nutzer zugutekommen, sondern auch unter den Aspekten Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit zu bewerten sind.


Mitarbeiter mit anspruchsvollen Tätigkeiten profitieren von KI-basierten Lösungen.


Entwicklung ohne Maus und Tastatur?

In etwa drei bis zehn Jahren werden Entwickler in natürlicher Sprache einem CAD/CAM-System sagen, was es tun soll – etwa „Entwerfe eine Variation der Einspritzpumpe für das Triebwerk, die zehn Prozent mehr Leistung bietet“. Über Touchscreens kann ein Benutzer außerdem Zeichnungen und Skizzen eingeben. Das System sieht dann gewissermaßen, was der Nutzer haben möchte. Und wer weiß, vielleicht ist eine KI eines Tages in ein paar Jahren sogar in der Lage, Gesten von Menschen zu interpretieren und in Entwürfe und Modelle umzusetzen.

Über den Autor

Mehr zum Thema

..finden Sie unter:
www.autodesk.de

oder direkt im Themenkanal „Generatives Design“ unter:
www.bit.ly/generativesDesign