Die Welt im Computer verdoppeln

10. Oktober 2014, 18:21
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Optimale 3-D-Ausdrucke für Roboter und die flüssige Berechnung von Wasser: Am IST Austria in Niederösterreich verbessern Wissenschafter Computersimulationen

Klosterneuburg - Wie können Menschen ihre Vorstellungen in der digitalen Welt abbilden? Wie können sie physikalische oder biologische Vorgänge in einer virtuellen Welt neu erschaffen, um daraus Schlüsse zu ziehen? Ärzte planen und trainieren Operationsabläufe mithilfe von Animationen. Physiker wollen durch hochauflösende Simulationen die Vorgänge in der Sonne ergründen. Architekten erschaffen Gebäude im virtuellen Raum, um sie sukzessive zu optimieren. Um Probleme, die in der Realität auftauchen könnten, vorwegzunehmen.

Die Verdoppelung der realen Welt und menschlicher Vorstellungen im Computer wird in unzähligen Berufen und wissenschaftlichen Disziplinen angewandt. Filme und Computerspiele haben sie zum Alltagsphänomen gemacht. Um Objekte im virtuellen Raum einfacher und realistischer zu gestalten, arbeiten Forscher an der Erschaffung und Verfeinerung der dahinterstehenden mathematischen Methoden.

Bernd Bickel ist einer der Forscher. "Bisher war die Computergrafik darauf fokussiert, wie man Inhalte modellieren kann, um sie am Bildschirm darzustellen", sagt der Informatiker, der noch heuer von Disney Research in Zürich an das Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) in Klosterneuburg wechselt. "Mit der Revolution im Bereich der 3-D-Drucker eröffnen sich aber unzählige neue Möglichkeiten, digitalen Content zu reproduzieren."

Die Ausgabe erfolgt nicht über den Bildschirm, sondern als 3-D-Werkstück aus Kunststoff oder Metall. Um das Potenzial der "digitalen Fabrikation" besser nutzen zu können, braucht es entsprechende Softwaretools und Simulationsmethoden. Methoden, die mehr berücksichtigen als nur die Form eines Gegenstandes. "Während der Modellierung am Computer sollen die funktionalen, mechanischen und ästhetischen Eigenschaften gleich mitberücksichtigt werden", sagt Bickel. Der Vorarlberger, der seinen PhD am Computer Graphics Lab der ETH Zürich gemacht hat, baut nun am IST Austria eine Gruppe auf, die derartige Tools entwickeln soll.

Weiche Roboter designen

Greifen die Zahnräder ineinander? Sind die filigranen Teile fest genug? Verformt sich der Gegenstand unter Druckeinwirkung? Solche und ähnliche Fragen sollen durch die Simulation im Vorhinein geklärt werden. Auch optisch soll das Computermodell dem späteren Ausdruck aufs Haar gleichen und etwa die Oberflächenstruktur und Lichtstreuung miteinbeziehen.

Aus den 3-D-Druckern der Zukunft könnten auf diese Weise etwa die Bestandteile für "weiche Roboter" kommen. Sogenannte Soft Robots bestehen aus elastischen, flexiblen Materialien, die sich beispielsweise an den Gewebearten des menschlichen Körpers orientieren. Sie könnten Chirurgen künftig bei Operationen assistieren und innere Organe sanfter und gezielter beiseiteschieben als das Operationsbesteck in der Hand des Arztes.

Während eine Form als Gitternetz gut definierbar ist, fehlen für funktionale Eigenschaften noch oft die mathematischen Beschreibungsmethoden, die beispielsweise die Materialdichte für jeden Raumpunkt des Entwurfs miteinbeziehen. Stehen sie bereit, können Werkstücke noch viel gezielter geplant werden - nicht nur von Spezialisten, sondern auch von einer breiten Anwenderschaft.

Der 32-Jährige leitete bisher bei Disney Research eine Arbeitsgruppe, die sich bereits mit Tools für die Gestaltung funktionaler 3-D-Objekte beschäftigte. "Wir haben zum Beispiel Softwaretools entwickelt, die jene zweidimensionalen Flächen identifizieren, aus denen komplexe 3-D-Formen herstellbar sind", erklärt Bickel. "Man könnte etwa die Form eines aufblasbaren Sofas vorgeben, und das Programm errechnet die 2-D-Teile, die dafür notwendig sind."

Mit speziellen Problemen im Bereich der Computergrafik beschäftigt sich auch Bickels Kollege Chris Wojtan am IST Austria. Der 33-jährige US-Wissenschafter wechselte vor dreieinhalb Jahren vom Georgia Institute of Technologie in Atlanta nach Klosterneuburg. Wojtan geht es um die mathematische Beschreibung von fließenden oder strömenden Substanzen. Flüssigkeiten können etwa Wellen, Wirbel und Tropfen bilden. Oberflächen und Grenzen verändern sich ständig.

Die Differenzialgleichungen zur Berechnung der Phänomene können oft nur durch Näherungsverfahren gelöst werden. "Wenn Grenzen zerfließen und sich Formen laufend verändern, wird es schwer, die Gleichungen mit Standardmethoden zu lösen", sagt Wojtan. "Man braucht Werkzeuge, die dem Computer beibringen, die sich verändernde Geometrie zu verstehen."

Das geometrische Grundgerüst der Simulationen besteht üblicherweise aus einem Gitternetz aus Dreiecken oder Tetraedern. Sie müssen sich entsprechend der Navier-Stokes-Gleichungen bewegen, die die Strömung von Flüssigkeiten und Gasen beschreiben.

"Plant man eine Brücke, muss man nur eine Geometrie durchrechnen", sagt Wojtan. "Bei Flüssigkeiten löst man die Gleichung immer wieder aufs Neue. Zerfällt sie in mehrere Teilmengen, muss die Gleichung bei allen Teilen angewandt werden."

Selbst Supercomputer können für wissenschaftliche Simulationen, die Lawinen, den Blutfluss im Körper oder Sonnenwinde berechnen, Tage und Wochen benötigen. "Wir versuchen Algorithmen zu entwickeln, die das viel schneller erledigen", sagt Wojtan. Neue Techniken sollen bestimmte Simulationen sogar in Echtzeit berechnen können - etwa für den Chirurgen, der bei der Trainingssimulation mit einer geplatzten Arterie konfrontiert ist. Und natürlich kann damit auch die Grafik in Filmen und Computerspielen verbessert werden.

Die Mischung macht's

Zuletzt stellte Wojtan mit Kollegen eine Methode vor, wie man verschiedene Flüssigkeitsanimationen mischen kann. Anstatt Wasserbewegungen vollständig zu berechnen, wird aus vorhandenen Simulationsteilen eine Vielzahl weiterer, ähnlicher Animationen abgeleitet. "Die neuen Varianten sind Interpolationen, die zwischen den ursprünglich vorhandenen Simulationen liegen", erklärt Wojtan. Der Trick funktioniert: Die Animationen sind realistisch und dennoch in Echtzeit berechenbar. Das virtuelle Wasser plätschert schöner als zuvor.

Viele weitere Ideen warten noch darauf, in den virtuellen Raum übertragen zu werden. Die eine oder andere Gleichung wird dabei noch zu lösen sein. (Alois Pumhösel, DER STANDARD, 8.10.2014)

  • Bernd Bickel und Kollegen programmierten einen Algorithmus, der komplexe  Figuren in 3-D-Puzzles verwandelt. Das Spiel mit der Geometrie findet  Anwendung bei Simulationen.
    foto: kristian hildebrand, bernd bickel, marc alexa tu-berlin

    Bernd Bickel und Kollegen programmierten einen Algorithmus, der komplexe Figuren in 3-D-Puzzles verwandelt. Das Spiel mit der Geometrie findet Anwendung bei Simulationen.

  • Die Simulation von Wasser ist komplexe Mathematik. Chris Wojtan sucht  nach Algorithmen, die den Rechenbedarf verringern.
    foto: wojtan, thürey, gross, turk

    Die Simulation von Wasser ist komplexe Mathematik. Chris Wojtan sucht nach Algorithmen, die den Rechenbedarf verringern.

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