Nemo’s Garden – eine Biosphäre unter Wasser
Sergio Gamberini, der Präsident des italienischen Tauchausrüstungsherstellers Ocean Reef, und seinem Sohn Luca Gamberini haben 2021 das Projekt Nemo’s Garden gestartet. Ein Team aus Ingenieuren, Tauchern und Wissenschaftlern hat daran gearbeitet, die Machbarkeit des Unterwasseranbaus von Kräutern, Obst und Gemüse zu beweisen. Die Schlüsselinnovation von Nemo’s Garden ist ein Unterwassergewächshaus, eine Hightech-Unterwasserbiosphäre, das in der Lage ist, die positiven Umweltfaktoren des Ozeans wie Temperaturstabilität, CO2-Absorption, Sauerstoffreichtum und inhärenter Schutz vor Schädlingen zu nutzen, um eine ideale Umgebung für Pflanzenanbau zu schaffen.
Das Team in hat in ersten Prototypen nicht nur erfolgreich eine Vielzahl von Feldfrüchten aus seinen Biosphären geerntet, sondern auch entdeckt, dass Pflanzen, die in dieser Umgebung angebaut werden, nährstoffreicher sind als die traditionell angebauten.
Die nächste grosse Hürde bestand darin, diesen Prototyp in eine Lösung zu verwandeln, die weltweit eingesetzt werden kann.
Harte Winter, kurze Sommer begrenzten Nemo’s Garden auf einen Wachstumszyklus pro Jahr, was nur einen Innovationszyklus pro Jahr bedeutet. Designänderungen, langwierige physische Tests und umfangreiche manuelle Überwachungsprozesse während des Wachstumszyklus veranlassten das Team von Nemo’s Garden, nach Wegen zu suchen, um die Innovation zu beschleunigen und den Betrieb zu skalieren.
Ein digitaler Twin als Beschleuniger der Innovation
Für dieses Projekt wurde ein umfassender digitaler Zwilling der Biosphäre von Nemo’s Garden mit der Software Simcenter™ STAR-CCM+™ von Siemens erstellt. Anpassungen an die Biosphären können so in einer virtuellen Welt vor der Realisierung getestet werden, wodurch die Gestaltung und das Design des Systems massiv beschleunigt werden kann.
Nemo’s Garden ist ein einzigartiges System, welches an jede Umgebung, in der es installiert werden soll, neu angepasst werden muss. Wenn man diese Umgebungen mit einem Digitalen Twin virtuell modellieren könnte, dann könnte unser Team spezifische Herausforderungen an das System bestens vorhersehen und diese dann optimal lösen. Als ich zum ersten Mal die digitale Zwillingstechnologie von Siemens sah, war ich fasziniert.“
sagte Luca Gamberini, Mitbegründer von Nemo’s Garden.
„Dank der Fähigkeiten des digitalen Zwillings verstehen wir nun, wie die unterschiedlichen Wechselwirkungen von Sonneneinstrahlung, von Temperatur und weiterer physikalischer Faktoren auf die Pflanzen einwirken. Insbesondere können wir den Wasserfluss um unsere Biosphärendie herum simulativ analysieren und so eine optimale physikalische Stabiltät der Struktur sicherstellen. “
Einsatz von MindSphere®, IoT und künstlicher Intelligenz
Neben der Konstruktion der physischen Biosphäre musste das Team von Nemo’s Garden auch die Prozesse für den Anbau, die Verfolgung und die Ernte der Pflanzen optimieren und skalieren. Um nicht darauf angewiesen zu sein, ausgebildete Taucher zum Sammeln von Daten zu schicken, wurde ein vollständig digitaler, automatisierter Ansatz entwickelt, der sich auf die umfassende Erfahrung von Siemens bei der Nutzung von komplexen Softwarelösungen stützte.
Vorhandene Videos der Wachstumszyklen zusammen mit Referenzdaten von traditionellen landwirtschaftlichen Betrieben mit den gleichen Zellkulturen in verschiedenen Wachstumsstadien wurden mit dem MindSphere®-Service von Siemens analysiert. Daraus konnte Siemens dann einen maschinellen Lernalgorithmus trainieren, um das Pflanzenwachstum sowie die Umgebungsbedingungen innerhalb der Kuppeln automatisch überwachen zu können.
KI-Algorithmus hilft bei der Fern-Überwachung der Pflanzenkulturen
Mit dem nun vorliegenden Algorithmus auf Siemens Edge-Computergeräten eingesetzt, können die Pflanzen via IoT über ein Cloud-basiertes Dashboard während der gesamten Saison von überall her aus in Echtzeit überwacht werden. In der nächsten Saison werden Edge-Geräte mit Aktuatoren verbunden, um die Luftzirkulation, Feuchtigkeit, Bewässerung und Nährstoffdosierung während der gesamten Saison automatisch anzupassen. Dies wird die Grundlage eines globalen landwirtschaftlichen Dienstes bilden, der für den Unterwasserbetrieb optimiert und auf alle Weltmeere abgestimmt ist.
Digital Twins beschleunigen die Entwicklung komplexer Innovationen – auch bei KMU’s und Start-ups
Die Digitale Twin Technologie ist nicht nur für grosse Unternehmen, sondern für alle Unternehmen bestens geeignet. Tatsächlich können gerade kleinere KMU oder Start-up-Unternehmen oft grosse Gewinne durch dessen Anwendung erzielen. Sobald ein System oder ein Prozess komplexe kausale Rückkopplungen und zeitlich verzögerte Feedbacks beinhaltet, bietet der Einsatz eines digitalen Zwillings enorme Vorteile. So kann die Phase «Prototyping» in einem Design Thinking Prozess mit einem digitalen Zwilling äusserst effizient und wie angestrebt rasch mehrfach durchlaufen werden. Viele Varianten lassen sich zeit- und kostengünstig vergleichen. Neue Ideen und System- oder Prozessverbesserungen können rapide virtuell getestet und deren Güte zielsicher festgestellt werden.
Trotz der grossen Errungenschaften der künstlichen Intelligenz gibt es noch sehr wenige Anwendungsfälle von KI in unserem Leben. Eine grosse Herausforderung, KI in unser wirkliches Leben zu bringen, ist die Datenerfassung. Daten aus der realen Welt sind extrem schwer zu bekommen. Das Generieren von Datensätzen seltener Ereignisse oder verschiedener Bedingungen aufgrund von Wetter oder Beleuchtung ist ein grosses Problem.
Digitale Zwillinge, Simulationen der realen Welt in einem digitalen Gegenstück, könnten ein Wendepunkt und eine Zeitersparnis für die Weiterentwicklung von Automobilen, Elektrofahrzeugen, intelligenten Städten, Verteidigung und Fertigung sein. Digitale Zwillinge bieten Ihnen eine Kristallkugel – basierend auf dem, was in der Vergangenheit passiert ist und was gerade passiert, um die Zukunft vorherzusagen und zu simulieren.
Simulationen oder Tools für digitale Zwillinge können Daten simulieren, die schwer zu sammeln sind. Interoperabilität ist der Schmerzpunkt von Simulationswerkzeugen. Es gibt eine Vielzahl von Simulationswerkzeugen, jedes Werkzeug dient einer anderen Rolle und einem anderen Anwendungsfall. Das Beispiel Nemo’s Garden zeigt den erfolgreichen Einsatz Digitaler Twins im Zusammenspiel mit Künstlicher Intelligenz.
Webseite Nemo’s Garden:
http://www.nemosgarden.com/