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Automatisierung bezeichnet den Einsatz von Informationstechnologien, Steuerungssystemen wie Computern und Robotern zur Steuerung von Maschinen und Prozessen. Sie dient dazu, manuelle Arbeit zu reduzieren sowie Effizienz, Geschwindigkeit, Qualität und Leistung zu steigern [1] und bildet die Grundlage von Industrie 4.0 [2]. Industrie 4.0 bezeichnet alle Technologien und Maßnahmen zur umfassenden Digitalisierung und intelligenten Vernetzung der industriellen Produktion ("digitale Transformation"). Die oft synonym verwendete Bezeichnung Industrie X.0 soll die Schnelligkeit der technologischen Entwicklungen betonen und verhindern, dass der Begriff schnell veraltet [3]. Die enge Vernetzung von Mensch, Maschine und Produkt betrifft die gesamte Wertschöpfungskette und erfordert eine fundamentale Umstrukturierung - besonders von Produktion, Logistik und Verkehr [3] - und verstärkte Bemühungen um die Cybersicherheit.
Daten sind die wichtigste Ressource von Industrie 4.0. Diese zu erschließen, zu analysieren und zu nutzen, ist die Aufgabe von Big Data. Auch Cloud Computing ist eine Basistechnologie für Industrie 4.0. Man versteht darunter die bedarfsgerechte Nutzung virtueller Rechen- und Speicherkapazität über das Internet oder ein unternehmensinternes Netzwerk. Cloud Computing beinhaltet auch den Vertrieb von Anwendungssoftware als Dienstleistung [4].
Das Internet bildet eine zentrale Technologie für Industrie 4.0 und ermöglicht eine Vernetzung über Unternehmens- oder Ländergrenzen hinweg [5]. Die Weiterentwicklung zum Internet of Things (IoT) ist gleichzeitig Teil der Industrie 4.0 und ihr Antrieb [6]. Im IoT werden nahezu beliebige Objekte mit umfassender Rechenleistung ausgestattet, per Software gesteuert und über das Internet mit der Außenwelt und untereinander vernetzt [7]. Die technische Grundlage des IoT bilden cyberphysische Systeme (CPS). Dabei handelt es sich um Sensoren und Aktoren, die physische Messdaten liefern und an eine Dateninfrastruktur übermitteln [4]. Das IoT beeinflusst nicht nur die industrielle Produktion (Industrial Internet of Things, IIoT oder Smart Factory), sondern auch den persönlichen Bereich (Smart Home) und den gesellschaftlichen Sektor (Smart City) [6].
Während Maschinen beim IoT ausschließlich über das Internet miteinander verbunden sind, handelt es sich bei der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M-Kommunikation) eher um ein geschlossenes System, mit einer festen Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung. Die Kommunikation wird durch Sensoren gewährleistet, die über Kabel, WLAN oder Mobilfunk an ein Netzwerk angeschlossen sind [4]. Zum überwiegend automatisierten Informationsaustausch bei der M2M-Kommunikation gehören u. a. die Fernüberwachung, Fernkontrolle und Fernwartung von Maschinen, Anlagen und Systemen; eine begrenzte menschliche Beteiligung ist möglich [8]. Die Zukunft der M2M-Kommunikation verspricht eine immer tiefere Vernetzung von Geräten und Systemen, da mit der Entwicklung neuer Mobilfunkstandards (5G/6G) die Echtzeitkommunikation schneller und verlässlicher wird [9].
Intelligente (Prozess-)Automatisierung, auch Hyperautomatisierung genannt, kombiniert (generative) künstliche Intelligenz (KI), maschinelles Lernen und Robotic Process Automation (RPA) durch Softwareroboter (Bots), um repetitive Aufgaben zu automatisieren und komplexe Geschäftsprozesse so zu transformieren, dass sie ohne menschliches Eingreifen ablaufen. Sie umfasst den gesamten Automatisierungsprozess - Erkennung, Automatisierung, Optimierung - und verbindet Menschen, Systeme und Daten [10; 11]. Bei der selbstorganisierenden Produktion fungieren Produktionssysteme als Software-Agenten für eine erhöhte Flexibilität und Robustheit. Dafür sind einzelne Komponenten von Maschinen mit Sensoren ausgestattet, die Impulse vom Werkstück empfangen. So lassen sich vertauschbare Arbeitsschritte optimieren und die Bearbeitung wird effizienter. Technische Störungen erkennt das System selbständig und leitet die Aufträge um [12; 13].
Roboter sind das Symbol und das wichtigste Werkzeug der Automatisierung. Man unterscheidet Industrieroboter und Serviceroboter. Die in Industrie 4.0 geforderte hochflexible Produktion stark individualisierter Produkte basiert auf dem Einsatz von Industrierobotern [14]. Deutschland hat 2023 bei Industrierobotern einen neuen Rekord erreicht und ist damit im europäischen Robotik-Markt führend [15]. Bei diesen Robotern handelt es sich um programmierbare Maschinen, die aufgrund ihrer flexiblen Bewegungen verschiedene Aufgaben in einer Vielzahl von Umgebungen ausführen können [16]. Industrieroboter müssen mit Schutzeinrichtungen umgeben sein, die den Zutritt von Personen zum Gefahrenraum verhindern. In Industrie 4.0 spielen kollaborierende Roboter (Cobots) eine Schlüsselrolle, denn sie können intelligent auf ihr Umfeld reagieren. Trotzdem ist ihr Einsatz mit Risiken behaftet und erfordert hohe Sicherheitsstandards. Sie stellen das Bindeglied zwischen rein manuellen Arbeitsplätzen und einer Vollautomation dar und unterstützen die Beschäftigten unmittelbar in einem weitestgehend schutzzaunlosen Betrieb, besonders bei unergonomischen Tätigkeiten [17].
Nichtindustrielle Roboteranwendungen wie Service- und Assistenzroboter stellen eine besondere technische Herausforderung dar, da sie in einem sich kontinuierlich wandelnden Umfeld operieren - und meist direkt mit Menschen interagieren. Im Gegensatz zu industriellen Anwendungen können hier auch ältere Menschen und Kinder involviert sein, was neue erweiterte Herausforderungen mit sich bringt. Zu den Service- und Assistenzrobotern zählen Haushaltsroboter, Reinigungsroboter im öffentlichen Raum, Serviceroboter im Einzelhandel, Hotel- und Gastgewerbe, Pflegeroboter sowie Roboter zur sozialen Interaktion, Unterhaltung und Bildung. Der Entwicklungsstand ist sehr heterogen; einige Roboter sind bereits weit genug fortgeschritten, um im Alltag Anwendung zu finden [18].
Auch auf dem Bau sind erste multifunktionale Roboter für diverse Arbeiten im Einsatz. Die Bauroboter können sich selbstständig im Raum orientieren und ihre Aufgaben - von entsprechender Software gesteuert - autonom oder per Fernbedienung erledigen. Durch programmierte, präzise Abläufe und unter Verwendung des 3D-Drucks lässt sich der Materialeinsatz optimieren, sodass Baustellen nachhaltiger werden. 3D-Druck-Roboter können nahezu beliebig große Bauteile bis hin zu kompletten Gebäuden vor Ort mithilfe chemischer und/oder physikalischer Prozesse schichtweise aufbauen - genügend Platz vorausgesetzt [19; 20].
Großraumrobotik umfasst neben autonomen Baumaschinen auch Landwirtschaftsroboter und andere schwere Arbeitsmaschinen (Räumung, Dekontamination in menschenfeindlichen Umgebungen, Müllbeseitigung etc.). Diese Roboter können sich in großräumigen und unstrukturierten Umgebungen bewegen und dort eigenständig komplexe Erkundungs- und Manipulationsaufgaben ausführen, indem sie mittels KI Sensordaten auswerten und umsetzen [21].
Neben Robotern spielen auch ferngesteuerte oder autonom agierende Drohnen eine zunehmende Rolle. Sie kommen auf Baustellen, bei Inspektionsaufgaben z. B. bei Dächern, bei der Energieversorgung, der Überwachung der Luftqualität oder auch zur Rettung an hoch gelegenen Arbeitsplätzen zum Einsatz [22]. Inzwischen gibt es auch Drohnen, die nicht nur visuell Daten erfassen, sondern auch Arbeiten erledigen (Reinigung, Bauaktivitäten) [23]. Drohnen oder Landroboter lassen sich zu einem intelligenten Schwarm zusammenschließen, um für militärische Zwecke größere Gebiete zu überwachen, aber auch um Windenergieparks zu kontrollieren. Sie werden auch eingesetzt, um radioaktive Quellen schnell aufzuspüren, die etwa bei einem terroristischen Anschlag platziert wurden [24].
Aktive, d. h. mit Elektromotor (oder pneumatisch) angetriebene Exoskelette stellen eine spezielle Art von Robotern dar, die als unterstützende Hebe- und Tragehilfe fungieren. Diese am Körper getragenen Assistenzsysteme wirken von außen mechanisch auf den Körper [25]. Werden Exoskelette mit dem Internet der Dinge (IoT) verknüpft, lassen sich Belastungswerte und Aktivitäten auswerten [20].
Der Trendbericht als barrierefreie PDF-Publikation:
Vernetzte Automatisierung und Robotisierung (PDF, 1,8 MB, barrierefrei)