Gastbeitrag | Autorin: Monika Beck, Datenkommunikation | Fraunhofer IPMS

Fraunhofer IPMS verknüpft neueste Hardware der Mikrosensorik und -aktorik mit künstlicher Intelligenz

Im Alltag sind digitale Helfer – wie smarte Apps oder mitdenkende Autos – bereits fest integriert. Derzeit erfolgt die Verarbeitung der Daten jedoch zumeist auf großen, externen Servern. Eingebettete künstliche Intelligenz (Edge KI) soll dies ändern und die Verarbeitung von Daten und Algorithmen direkt am Endgerät ermöglichen. Die Leistungsfähigkeit von Edge KI gerade in Kleinstgeräten ist derzeit jedoch noch sehr eingeschränkt. Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS forscht daher an innovativen Lösungen, um Algorithmen des maschinellen Lernens in alltägliche Geräte zu integrieren.

Digitale Souveränität gewinnt an Bedeutung

Das Fraunhofer IPMS vernetzt zunehmend seine Expertise und Entwicklungen unterschiedlicher Forschungsbereiche. So wurden in einem institutsinternen Projekt Erkenntnisse aus der Mikrosensorik und -aktorik mit neuesten Technologien der Nanoelektronik, drahtloser Kommunikation und Prozessorentwicklungen zusammengeführt. Die daraus entstehenden Synergieeffekte bieten Kunden nun maßgeschneiderte Komplettlösungen für hardwarenahe, KI-gesteuerte Mikrosensoren und -aktoren. Dabei wird eine sensor- bzw. aktornahe Signalvorverarbeitung mittels KI-basierter Methoden (Schwerpunkt: TinyAI/Embedded KI) ermöglicht. Die Vorteile liegen dabei sowohl in einer geringen Latenz in der Verarbeitung als auch in einer sichereren Datenverarbeitung ohne Netzwerkanbindung. Dies bedeutet, dass die vom Gerät erhobenen Daten direkt verwendet werden, ohne dass eine Verbindung zum Internet (Cloud) hergestellt werden muss. Dadurch wird eine autarke Verarbeitung innerhalb von Millisekunden ermöglicht. Nur die Ergebnisse der Verarbeitung können dann in die Cloud eingespeist werden.

Weiterhin ermöglicht die Edge-KI-Lösung ein Nachlernen im Feld, um das System für spezielle Vor-Ort Randbedingungen zu optimieren. Speziell für Edge-KI-Sensoren/Aktoren-Lösungen wurde am Institut die bestehende RISC V Computing Plattform EMSA5 um eine KI-Funktionalität (basierend auf Tensorflow Lite) erweitert.

Die Anwendungsgebiete der genutzten Sensoren und Aktoren umfassen Spektrometer, ISFET-Sensoren sowie Ultraschall-Bildgebung (zur Zustandsüberwachung, Gestensteuerung oder Umgebungserkennung bei Cobots).

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS steht für angewandte Forschung und Entwicklung in den Bereichen industrielle Fertigung, Medizintechnik und Mobilität. Unsere Forschungsschwerpunkte sind miniaturisierte Sensoren und Aktoren, integrierte Schaltungen, drahtlose und drahtgebundene Datenkommunikation sowie kundenspezifische MEMS-Systeme.