Definition und Abgrenzung hybrider, intelligenter Konstruktionselemente

Abstract

Ein Konstruktionselement verhält sich seinen konstituierenden Merkmal-Wert-Kombinationen entsprechend. Sie begründen seine Eigenschaften. Als Voraussetzung für Intelligenz gilt in der Literatur, dass ein System Aktoren, Sensoren und Regler umfasst, teilweise noch ergänzt um eine selbständige Energieversorgung. Intelligenz führt zu einer situationsbezogenen und/oder zielgerichteten Eigenschaftsveränderung, d.h. Anpassung. Angelehnt an die Adaptronik werden der Vorgang Anpassung und der Zustand Angepasstheit unterschieden. Für das Verständnis von HIKE sind beide losgelöst vom biologisch geprägten, am Menschen orientierten Verständnis von Intelligenz zu verstehen. Ein Konstruktionselement ist angepasst, wenn eine oder mehrere Eigenschaften in Abhängigkeit von seinem Umfeld und dessen Veränderungen zielorientiert auf ein günstigeres Verhalten bereits während der Konstruktion hin angepasst wurden („intelligent zugeschnittene Konstruktionen“) oder während der späteren Lebenszyklusphasen angepasst werden können. Dies führt beim Konstruieren zu zwei wesentlichen Fragen: Hinsichtlich welcher Gesichtspunkte ist eine Anpassung erforderlich? Und wie kann das im Vergleich günstigere Verhalten bestimmt werden? Eine primäre Angepasstheit (passive Adaptivität) liegt aus makroskopischer Sicht vor, wenn ein Konstruktionselement grundsätzlich für alle relevanten Umweltbedingungen seines Einsatzbereichs in technisch sinnvollem Umfang geeignet ist. Primäre Angepasstheit bedeutet, dass ein Konstruktionselement an seine Umwelt langfristig angepasst ist. Die Angepasstheit ist Ergebnis des Konstruktionsprozesses sowie der nachgelagerten Prozesse der Produktentstehung und -nutzung. Sie stellt eine Verträglichkeit (vgl. Design-for-X Ansätze) des Eigenschaftskollektivs des Konstruktionselements mit den langfristigen, aggregierten Eigenschaften der Umwelt des Elements dar. Eine sekundäre Angepasstheit (reaktive Adaptivität) liegt aus mikroskopischer Sicht vor, wenn ein Konstruktionselement in technisch sinnvollem Umfang an relevante vor-übergehende Umweltzustände und deren kurzfristige Änderungen anpassungsfähig ist. Anpassungsfähigkeit ist die Möglichkeit durch Eigenschaftsänderung zu reagieren. Reagieren zu können setzt einen Regelkreis voraus. Mit anderen Worten ist Anpassungsfähigkeit unmittelbar eine aus dem Konstruktionsprozess folgende Eigenschaft, die mittelbar die Anpassung (einen Anpassungsprozess) während der auf die Konstruktion folgenden Phasen des Produktlebenszyklus‘ ermöglicht, insbesondere in der Nutzungsphase des Konstruktionselements. Diese Form der Anpassung setzt voraus, dass das Konstruktionselement, das umgebende System und die Umwelt hinsichtlich der folgenden Aspekte übereinstimmen oder verträglich sind: • kurzfristige Anpassungsmöglichkeiten des Konstruktionselements • veränderliche Umwelteigenschaften/-zustände • veränderliche Systemeigenschaften/-zustände Die Veränderungen der Umwelt können kurz- oder langfristig sein, in Folge dessen reversibel oder irreversibel. Sie sind im Konstruktionsprozess als Annahmen unter Umständen nur statistisch erfassbar. Ein angepasstes Konstruktionselement kann sowohl passiv als auch aktiv sein. Nur angepasste aktive Konstruktionselemente sind anpassungsfähig im Rahmen der durch die konstruktive Angepasstheit vorgegebenen, möglichen Zustände. Das heißt, die primäre Angepasstheit ist Voraussetzung für die sekundäre Angepasstheit. Hybride, intelligente Konstruktionselemente (HIKE) sind technische Gebilde mit einer auf Basis der Gestaltelemente niedrigen bis mittleren Komplexität. Sie besitzen eine hohe Komplexität hinsichtlich der Aspekte, welche die Hybridität verursachen. Sie sind hybrid hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale wie zum Beispiel Werkstoff, Fertigungstechnologie, Rolle im Regelkreis oder strukturellen (Werkstoff-)Eigenschaften. HIKE sind entweder unmittelbar aus sich selbst heraus (intrinsisch) oder von außen (extrinsisch) regel- oder steuerbar oder tragen mittelbar durch sensorische, aktorische oder regelnde Eigenschaften zur Regel-/Steuerbarkeit des sie umgebenden Systems bei. Sie sind somit entweder selbst sekundär angepasst oder unterstützen die sekundäre Angepasstheit des sie umgebenden Systems. Während des Konstruierens mit HIKE werden sie nicht mehr wesentlich verändert. Sie sind einem konstruktionsrelevanten Verhalten, z. B. den Elementen und Größen eines Regelkreises, zugeordnet. HIKE unterscheidet die beschriebene Hybridität und Intelligenz von herkömmlichen Konstruktionselementen. Ein HIKE kann, wenn es die entsprechenden Eigenschaften aufweist, ein adaptronisches System sein. Ein HIKE kann auch in mechatronischen Systemen eingesetzt werden. In der Regel wird es aber alleinstehend kein mechatronisches System bilden. Die untersuchten HIKE erzielen die Hybridität in so, dass eine zerstörungsfreie Trennung der Regelkreiselemente nicht möglich ist.

A design element behaves according to its constituent combinations of characteristics and properties. They define its behaviour. According to the literature, a system has to include an actuator, sensor and controller as a basic prerequisite for intelligence. Sometimes an autonomous energy supply is required, too. Intelligence results in a situational and purposeful change of properties, i.e. an adaptation. With adaptronics in mind, the process of adaptation and the state of being adapted (adaptiveness) will be differentiated. In order to understand hybrid, intelligent design elements (HIKE), both adaptation and adaptiveness are understood independent of a biological coined, human centred perception of intelligence. A design element is adapted, if one or more properties have already been adapted with purpose during the design phase dependent of its environment in order to achieve a more favourable behaviour (“intelligently tailored designs”) or can be adapted during the later phases of the life cycle. This raises two questions in the design phase: Which aspects are relevant for adaptation? How can the comparatively more favourable behavior be determined? A primary state of being adapted (passive adaptiveness) is determined from a macroscopic point of view, if a design element is basically adapted to all technical relevant environmental conditions within its range of application. The primary adaptiveness comprises, that a design element is adapted in the long run. This state results from the design process and the downstream processes of product manufacturing and use. It represents a compatibility (cf. Design-for-X approaches) of the collective of properties of an element with the aggregated, long-run properties of its environment. A secondary state of being adapted (reactive adaptiveness) is reasoned from a microscopic point of view, if a design element is able to adapt to relevant, transitional states of its environment and their short-term changes. Adaptability is the possibility to react by changing properties. This type of reaction requires a control loop. In other words, adaptability is a property that directly results from the design process, which indirectly allows for adaptation (a process of adapting) during the phases of the lifecycle subsequent to the design phase, especially the use phase of a design element. This type of adaptation requires that the design element, its surrounding system and the environment are compatible with respect to the following aspects: - Abilities for short-term adaptation of the design element - Changing properties & states of the environment - Changing properties & states of the system The changes of the environment can be short-term or long-term, and accordingly reversible or irreversible. They possibly can only be statistically considered within the design process. The adaptiveness is based on engineering style assumptions about the states of the system and environment during the life cycle of a design element. The adaptiveness is relative with regard to certain external states. It defines a set of acceptable states, in which the design element can fulfill its desired functions as expected. In accordance with the definitions of the primary and secondary adaptiveness, adaptation, as a consequence of adaptability, effects an acceptable state. An adapted design element can be both active and passive. Only adapted active design elements are able to adapt within the scope of those states, that were defined by its engineering design based adaptiveness. I.e., the primary adaptiveness is prerequisite for the secondary adaptiveness. Hybrid, intelligent design elements are technical entities. With respect to their gestalt elements they show a low to medium complexity. They are very complex regarding the aspects that cause the hybridity. They are hybrid concerning one or several characteristics such as materials, manufacturing technology, contribution to the control loop or structural (material) properties. HIKE are directly or indirectly controllable or contribute to the controllability of their super-system by means of their sensor, actuator or controller properties. Thus, they either show secondary adaptiveness or support the secondary adaptiveness of their super-systems. During the phase of designing with HIKE they are not relevantly changed any more. HIKE relate to a behaviour that is relevant for engineering designing, especially in as far as elements of a control loop are concerned. HIKE can be distinguished from common design elements by their hybridity and intelligence. A HIKE can be considered as an adaptronic system, if it behaves accordingly. A HIKE can generally be used within mechatronical systems. In most cases it will not represent a mechatronical system on its own, however. The existing HIKEs achieve hybridity in a way, which does not allow for a non-destructive separation of the individual elements of the control loop it incorporates.