In der Tech-Szene wird dem Metaversum oder Metaverse nicht weniger als „die Zukunft des Internets“ zugesprochen. Doch auch wenn die zugrundeliegenden Technologien wie beispielsweise Virtual Reality (VR) oder Augmented Reality (AR) im privaten und industriellen Umfeld zunehmend eingesetzt werden, ist das Metaverse als Begriff in der deutschen Wirtschaft noch weitgehend unbekannt.
Das belegt eine eingangs des Webinars von Dr. Maximilian Bock, Bayern Innovativ, vorgestellte Umfrage des Branchenverbands der deutschen Informations- und Telekommunikationsbranche Bitkom aus dem Oktober 2022 (Quelle: https://www.bitkom.org/Presse/Presseinformation/Metaverse-deutsche-Wirtschaft-gespalten ). Es wurden rund 600 Unternehmen darüber befragt, wie sie das Thema Metaverse und die Chancen oder die Risiken für das eigene Unternehmen einschätzen. Demnach sieht hier nur jedes vierte Unternehmen für sich Chancen. Doch fast 50 Prozent der befragten Unternehmen wissen gar nicht genau, was das Metaverse ist oder sehen keinen Einfluss auf das eigene Unternehmen. Viele gehen davon aus, dass es sich bei dem Thema nur um einen Hype handelt. Grund dafür mag sein, dass man zu wenig über die konkreten Anwendungen weiß und sich im Grunde mit dem Thema noch nicht ausreichend beschäftigt hat.
Das Metaverse – eine Einordnung
Der Vortrag von Prof. Dr. Jens Grubert, Hochschule Coburg, startet mit einem Blick in die Welt der Science-Fiction. Hier begeistert das Leben in der rein virtuellen Welt Buchautoren und Filmemacher seit Jahren gleichermaßen. Ein Beispiel ist der Film Ready Player One aus dem Jahr 2018. Um dem düsteren Alltag zu entfliehen, bewegen sich die Menschen in der Metaversum-Welt der OASIS und erschaffen sich ihre eigenen Avatare. Virtuelle und physische Welt verschmelzen zu einer Einheit. Aber was soll dieses Metaversum oder Metaverse eigentlich genau sein? Dazu schaut Dr. Grubert in die Technologie-und Finanzwelt. Marc Zuckerberg, der CEO von Meta, bezeichnete in einem Interview 2021, das Metaverse als den Nachfolger des mobilen Internets. Im Unterschied benötige man für das Metaverse aber eine physische Interaktion durch die Bewusstmachung des Körpers. Der CEO von Microsoft, Satya Nadella, meint, das Metaverse wird es uns ermöglichen, Computing in die reale Welt einzubetten und andersrum – gemeint ist die Verknüpfung der physischen Realität mit digitalen Werkzeugen. Der Risikokapitelgeber Matthew Ball gibt eine umfangreichere Definition. Er beschreibt das Metaverse als ein massiv skaliertes und interoperables Netzwerk von in Echtzeit dargestellten 3D virtuellen Welten, welche synchron und persistent von einer unbegrenzten Anzahl an Nutzerinnen und Nutzern individuell erlebt werden können. Abschließend hält Ball jedoch fest: “The full vision of the Metaverse is decades away”.
Doch wo stehen wir heute? Dazu gibt uns Professor Grubert eine technologische Einordnung. Für ihn umfasst das Metaverse die Konvergenz von Technologien mit hohem Reifegrad, neue Geschäftsmodelle sowie Fiktion. Im Folgenden werden vier Bausteine beschrieben, die das technologische Fundament für das Metaverse legen, und deren Entwicklung entscheidend sein werden auf dem Weg zu seiner Realisierung.
Mit Compute Datenmengen in den Griff bekommen
Der erste genannte Baustein ist Compute und betrifft alles, was mit Datenverarbeitung zu tun hat. So dienen beispielsweise Compute-Plattformen, wie cloudbasierte Dienste, dazu, die unendlich großen Datenmengen, die bei der Simulation von virtuellen Welten anfallen, in den Griff zu bekommen – auch in Bezug auf die Rechenleistung. Neben der Strategie, möglichst viele Rechenoperationen auf zentralen Servern bereitzustellen, gibt es bereits viele Fortschritte bei der Bereitstellung von Ressourcen im Edge-Computing, also auf kleinen Endgeräten wie Smartphones oder Datenbrillen.
Netzwerkinfrastruktur: Beschleunigung der Downloadraten
Zweiter wichtiger technischer Baustein ist die Netzwerkinfrastruktur. Auch diese hat sich in den letzten Jahrzehnten rapide weiterentwickelt. So verspricht der Mobilfunkstandard 5G deutlich mehr Bandbreite als vorhergehende Generationen. Während die aktuellen Downstreamraten derzeit im Bereich 1.000 bis 1.500 Megabit pro Sekunde liegen, können in Zukunft bis zu 10.000 Megabit pro Sekunde erreicht werden.
Dezentrale Verschlüsselung durch Software-Komponenten
Neben Compute- und Netzwerk- sind auch Software-Komponenten enorm wichtig für das Metaverse. Hierunter fällt z. B. die Blockchain-Technologie. Vereinfacht dargestellt, kann man sich diese wie eine Art dezentrales Kontobuch vorstellen, das auf vielen Computern verteilt ist. So wird es ermöglicht, Transaktionen durchzuführen und zu speichern, die nicht manipuliert werden können. Und sie kann dazu genutzt werden, so genannte NFTs (Non-Fungible Token) zu speichern. Diese eignen sich, um Eigentumsrechte für digitale Assets anzumelden und dienen als Verweise oder Links zu den eigentlichen digitalen Gütern.
Erweiterte Realität ermöglicht Interaktion
Vierte Komponente ist die Extended Reality (XR) mit Ihren Ausprägungen der erweiterten und virtuellen Realität (AR/VR). Sie erst ermöglicht Interaktionen und damit Präsenzerleben sowie die Einbindung von Computing in die physische Welt und umgekehrt. Um in virtuelle Umgebungen eintauchen zu können, sind relevante Endgeräte wie Datenbrillen. Auch diese haben sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt. Das betrifft die Miniaturisierung, bessere Auflösungen sowie die Integration von Sensoren zur Erfassung der Umgebung. Einige Modelle lassen sich so bereits heute gut im industriellen Kontext nutzen. Dennoch bleibt es auf absehbare Zeit herausfordernd Datenbrillen für den Massenmarkt bereitzustellen, welche unterschiedliche erstrebenswerte Eigenschaften wie geringes Gewicht, hohe Auflösung, weites Sichtfeld, lange Batterielaufzeit und geringen Preis ineinander vereinen. Auch die Nutzung von Datenbrillen über einen längeren Zeitraum ist aufgrund ergonomischer Herausforderungen mit heutigen Geräten nur bedingt möglich.
Forschungsprototyp "PlanAR" goes Metaverse
Nahtlos an das Thema Erweiterte Realität schließt der Vortag von Maximilian Rosilius, Technische Hochschule Würzburg-Schweinfurt (THWS), an, der gemeinsam mit Steffen Decker, Simplifier AG, das Projekt PlanAR vorstellt. Dieses Forschungsprojekt befasst sich mit dem Einsatz von Augmented Reality bei der Anlagenplanung und Materialflussoptimierung. Ziele sind, Effizienzpotentiale zu ermitteln sowie eine Technologie-Transferplattform aufzubauen. Dazu werden industrietaugliche Plug-and-Play-Lösungen entwickelt und diese erforscht. Außerdem werden mit den beiden Forschungseinrichtungen des Instituts Digital Engineering der THWS und des Lehrstuhls Psychologie 1 der Julius-Maximilians-Universität Würzburg neben den technischen Herausforderungen auch die Auswirkungen auf den Menschen von Augmented Reality-Technologien für den dauerhaften Gebrauch untersucht.
PlanAR – Planen mit Augmented Reality
Mit der Entwicklung der PlanAR-Plattform soll unter anderem die virtuelle Planung und Inbetriebnahme von Produktionsstätten im realen Umfeld ermöglicht werden. Am Beispiel des Verortens einer neu geplanten Anlage in ein bereits bestehendes laufendes Fertigungsumfeld werden die Vorteile durch die Plattform aufgezeigt. Mögliche Fehler bei der Realisierung lassen sich so frühzeitig vermeiden, Redundanzen reduzieren und das Verständnis der Beteiligten durch die gewonnene Transparenz des Planungsprozesses zielgerichtet optimieren. Ziel ist es, Maschinen mit optimaler Detailtiefe virtuell zu platzieren und die Einbindung in das Gesamtsystem zu überprüfen. So sollen beispielsweise vorab Abhängigkeiten bei Anschlussmöglichkeiten oder baulichen Hindernissen entsprechend berücksichtigt werden. Um Anlagen virtuell in bestehende Produktionsprozesse integrieren zu können, werden die realen Fertigungsumgebungen mittels Scanverfahren als 3D Modelle digital abgebildet.
Materialflüsse und Wertströme optimieren
Ein weiterer Ansatz ist die Optimierung von Materialflüssen und Wertströmen. Um dies zu ermöglichen, sollen erfasste Daten in einen virtuellen Planungsprozess überführt und Simulationen zur Optimierung der Layoutmodellierung durchgeführt werden. Flankierend werden die verschiedenen Sinneswahrnehmungen und Interaktionsmöglichkeiten des Menschen bei der Nutzung von AR untersucht. Daraus ableitend werden Erkenntnisse gewonnen, welche Auswirkungen die AR-Nutzung auf den Menschen hat, aber auch wie AR-Applikationen wahrgenommen werden. Aus den Ergebnissen lassen sich Gestaltungsrichtlinien insbesondere mit Blick auf die speziellen Anforderungen im industriellen Kontext ableiten.
Interoperabilität als Baustein des industriellen Metaverse
Was sind denn nun aber konkret die Komponenten für ein Metaverse im industriellen Kontext? Hier übernimmt Herr Decker die Erläuterung. Der bereits genannten Interoperabilität kommt demnach große Bedeutung zu. Dazu setzt man auf offene Standards, um auch 3D-Modelle oder andere Informationen aus einem Softwaresystem in ein anderes System portieren zu können. Dazu sollen offene Austauschformate als Standard genutzt und die Daten in Echtzeit über den IoT-Datenaustauschstandard OPC UA sowie das IoT-Nachrichtenprotokoll MQTT ausgetauscht werden. So lassen sich noch komplexere aber integriertere Planungsszenarien realisieren. Ein weiterer sehr wichtiger Baustein ist die Persistenz, also die Verortung von digitalen Informationen in der physischen Welt. Diese Verortung findet momentan ausschließlich auf Geräteebene statt. Zukünftig soll diese auch über Cloud-Dienste möglich sein. In die Betrachtung fließt auch die Multiuserumgebung ein. Aktuell lässt sich nur ein Benutzer pro Layout nutzen und ein Screensharing durchführen. In Zukunft soll auch eine dynamische Synchronisation mehrerer Nutzer auf Projektebene mit definierter Zugangskontrolle stattfinden. Voraussetzung dafür ist eine gemeinsame Infrastruktur. Hier bieten sich heute schon Möglichkeiten, ein sogenanntes Remote Rendering durchzuführen. Voraussetzung dafür ist eine niedrige Latenz. Das Thema 5G ist dabei sehr ausschlaggebend. Ein weiterer Punkt ist die Frage des Schutzes von Urheberrecht und Eigentum. Dieses kann durch die Nutzung von Blockchains, NFTs oder einfach durch Verlinkungen geregelt werden. Auch die soziale Identität findet einen Stellenwert in der Betrachtung angesichts der zunehmenden Zahl von Mulituserumgebungen. Hier setzt man auf Avatare, die mit Name, Rolle und Position Individuen eine Identität im Metaverse geben werden.
Das industrielle Metaverse – Buzzword oder echter Mehrwert?
Welche Technologien und Anwendungsmöglichkeiten sind mit dem industriellen Metaverse im konkreten Unternehmensumfeld verbunden? Dieser Fragestellung geht Herr Gerhard Kreß, Siemens AG, in seinem Vortrag nach und beginnt mit der Definition des Begriffs Metaverse aus Sicht seines Unternehmens.
Die vier Bausteine des industriellen Metaverse
Im Wesentlichen beinhaltet das industrielle Metaverse demnach vier Komponenten. Erstens das digitale Abbild der Realität. Dieses bildet in Echtzeit die Dynamik des gesamten industriellen Systems ab – also zum Beispiel Produktionsketten, Stromnetzwerke, Gebäude sowie Logistik. Wichtig hierbei ist die fotorealistische Abbildung in 3D, um Systemveränderungen virtuell durchführen zu können. Und das ist der zweite Baustein des Metaverse: Das System mit Interaktion zu zeigen, welches die Auswirkungen in Echtzeit erlebbar macht. Durch gezielte Veränderungen der Parameter lassen sich beispielsweise Produktionszeiten reduzieren oder die Qualität verbessern. Das dritte Thema betrifft die Kollaboration im virtuellen Raum. Es geht nicht nur darum, die Wirklichkeit zu simulieren, sondern darum, Menschen zusammenzubringen, die gemeinsam an einem Projekt arbeiten. Gerade angesichts des Fachkräftemangels können nicht mehr alle Experten vor Ort sein. Egal, wo sich die Maschine oder Fabrik befindet – durch die Zusammenarbeit in einem virtuellen Raum lassen sich gemeinsam Änderungen am digitalen System vornehmen und bewerten. An einer solchen Zusammenarbeit können Prozessexperten beteiligt sein, Lieferanten für spezielle Maschinen oder Kolleginnen und Kollegen aus der Forschungsabteilung. Den vierten Punkt nennt Herr Kreß Besitz, Monetarisierung und Austausch von Daten und anderen digitalen Werten. Hier geht es um Objekte, die von den realen losgelöst sind, wie zum Beispiel um Optimierungsalgorithmen, die von externen Partnern entwickelt werden.
BMW erbaut eine neue digitale Fabrik
Diese vier definierten Punkte fließen ganz konkret in ein Projekt, das Siemens und Nvidia partnerschaftlich zur Schaffung eines „industriellen Metaverse“ umsetzen. Zusammen mit BMW soll eine neue digitale Fabrik entstehen. Ziel ist es, ein Produktionszentrum einzurichten, das schon allein in der Konzeption deutlich effizienter ist als alles, was bisher erreicht wurde. So kann durch digitale Optimierungen der komplette Produktionsfluss inklusive Materiallogistik im Vorfeld abgebildet werden. Ehrgeiziges Ziel für die Umsetzung ist das Jahr 2026. Das metaphorische Objekt wird laut Kreß aber bereits innerhalb der nächsten 12 Monate auf die Beine gestellt werden.
Digitaler Zwilling einer Werkzeugmaschine erlaubt virtuelle Inbetriebsetzung
Klar wird, dass durch die digitale Abbildung der Fabrik, Bau- und Inbetriebnahmezeiten deutlich verkürzt werden können. Doch es muss nicht immer eine ganze Fabrik sein, die von einem digitalen Zwilling profitiert. Das erklärt Herr Kreß am Praxisbeispiel einer Werkzeugmaschine. Hier erlaubt die digitale Konstruktion die virtuelle Inbetriebnahme. So können bereits Trainings durchgeführt oder CNC-Skripte ausprobiert werden. Die vorrangehende virtuelle Inbetriebsetzung ermöglich somit eine frühere Produktion, verbessert Prozesse und reduziert die Kosten.
Dies und ein weiteres Beispiel aus der Bahntechnik zeigen aber auch, dass es eine Plattform benötigt, um auch kritische Projekte zeitnah umzusetzen. Mit Xcelerator bietet Siemens eine offene digitale Geschäftsplattform und das Fundament für die Weiterentwicklung des industriellen Metaverse. Dabei handelt es sich um ein kuratiertes Portfolio mit digitalen und IoT-fähigen Angeboten von Siemens und Partnern. Denn, und dies stellt Herr Kreß abschließend fest, sei heute keiner in der Lage, alle industriellen Prozesse vollständig zu beherrschen. Damit bildet das industrielle Metaverse die Basis für zukünftige Geschäftsmodelle und hat das Potenzial einen echten Mehrwert zu bieten.
Wie sich Unternehmen dem industriellen Metaverse annähern können
Der letzte Punkt zeigt, wie wichtig es für kleine und mittlere Unternehmen ist, sich die richtigen Partner zu suchen, um die Möglichkeiten des Metaverse für sich zu erschließen. Dabei unterstützt zum Beispiel die ZD.B-Themenplattform Digital Production & Engineering von Bayern Innovativ durch die Vernetzung von Partnern und die Beratung zu Fördermöglichkeiten . Jedes Unternehmen sollte sich vorab die Frage stellen, in welchen Bereichen sich in Bezug auf Metaverse ein Mehrwert generieren lässt. Das kann zum Beispiel Predictive Maintenance oder eine VR-basierte Produktion sein. Doch egal, welche Möglichkeiten man zeitnah umsetzten möchte, wichtig ist die frühzeitige Einbindung der Mitarbeitenden. Sie müssen vom Nutzen digitaler Technologien überzeugt werden. Denn ihre Akzeptanz wird letztlich darüber entscheiden, wie erfolgreich die Digitalisierung in einem Unternehmen sein wird.
Die Webinarreihe „Aus der Forschung in die Praxis“
In dem Veranstaltungsformat der ZD.B-Themenplattform Digital Production & Engineering von Bayern Innovativ geben Forschungseinrichtungen und Unternehmen Einblicke in aktuelle Forschungsaktivitäten und diskutieren diese mit den Teilnehmenden. Ziel ist es, vor allem kleine und mittelständische Unternehmen dabei unterstützen, digitale Technologien in ihren Produktionsprozessen und in ihrem Engineering sinnvoll zu nutzen.
