Technologie und Architektur Digitaler Zwillinge

Während Virtual Reality das praxisorientierte Lernen erleichtern kann, steht ihre Entwicklung vor Hindernissen: hohe Kosten, hoher Zeitaufwand oder die Herausforderungen hinsichtlich ihrer Skalierbarkeit. Dieser Artikel stellt zwei Fallstudien vor, die Strategien zur Überwindung solcher Hindernisse bei der Ausbildung der nächsten Generation von Fachkräften im Bereich Umwelttechnologien veranschaulichen. Durch die Untersuchung von Ansätzen zur Rationalisierung der Entwicklung sowie zur Steigerung der Relevanz und Skalierbarkeit von Inhalten werden Erkenntnisse für die zukünftige Praxis gewonnen. Abschließend wird eine Zukunftsvision entworfen, in der Bildungseinrichtungen flexibel und kosteneffizient Virtual-Reality-Prototypen in Lernkontexten entwickeln können, um die Übereinstimmung mit den Lehrplanzielen und den Bedürfnissen der Lernenden sicherzustellen.

Der rasante Fortschritt immersiver Technologien eröffnet neue Möglichkeiten für die Mensch-Maschine-Interaktion in der Industrie. Dieser Beitrag stellt eine immersive Plattform für menschliche Digitale Zwillinge vor, die physische und kognitive Zustände in einem integrierten Modell vereint. Durch die Kombination multimodaler Sensorik, menschlicher Biomechanik, Künstlicher Intelligenz und Simulation verbessert das System Sicherheit, Ergonomie und Produktivität in der menschenzentrierten Produktion. Der Beitrag argumentiert, warum menschliche Digitale Zwillinge zu einem zentralen Baustein adaptiver Produktionssysteme werden könnten, diskutiert bestehende Grenzen der Modellierung des Menschen und skizziert industrielle Anwendungspotenziale in den Bereichen Sicherheit, Nachhaltigkeit, Ergonomie und Produktivität.

Die fischertechnik® Lernfabrik 4.0 hat sich als geeignete Experimentierumgebung zur Erprobung Digitaler Zwillinge erwiesen. Abhängig vom angestrebten Reifegrad reichen die Funktionen eines Digitalen Zwillings von der reinen Zustandsüberwachung über Prognosen bis hin zur operativen Steuerung von Produktions- und Logistiksystemen. Zur systematischen Einordnung dieser Funktionen wird in diesem Beitrag ein Reifegradmodell vorgestellt, das als Orientierungsrahmen für den Aufbau eines Digitalen Zwillings dient. Darauf aufbauend werden ausgewählte Anwendungsfälle in einer Test- und Entwicklungsumgebung umgesetzt, die auf einer Systemarchitektur mit mehrstufiger Schichtlogik basiert. Anhand erster Umsetzungen werden Einsatzzwecke, relevante Methoden sowie typische Herausforderungen und Potenziale für den Transfer in reale Fabrikumgebungen aufgezeigt.

Die Einführung Digitaler Zwillinge (DZ) scheitert oft an hohen Kosten, technischer Komplexität und fehlenden Fachkenntnissen. Diese Studie stellt ein kostengünstiges Modell eines DZ, welches mit Technology Readiness Level (TRL) 5 validiert ist. Es wurde innerhalb von nur zwei Wochen mithilfe von Open-Source-Lösungen und gängigen Unternehmenswerkzeugen entwickelt und integriert sensorbasierte Echtzeitdaten, prädiktive Analysen, Anomalieerkennung und automatisierte Benachrichtigungen, um Effizienz und Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft zu steigern. Das System erreicht eine durchschnittliche relative Abweichung von nur 7,76 % und gibt automatisierte Warnungen in Echtzeit aus. Die Ergebnisse zeigen, wie fortschrittliche digitale Werkzeuge durch die Kombination von Open-Source-Technologien und Standardwerkzeugen zugänglich gemacht werden können: skalierbar, menschenzentriert und erschwinglich im Sinne von Industrie 5.0.