Industrial Metaverse – Fakt oder Fiktion?

^{Webspecial Fraunhofer-Magazin 2.2023}

Ist das zweidimensionale Internet bald Geschichte? Schon heute macht das Metaverse seine enormen Vorteile für Entwicklung und Produktion deutlich.

Es ist Montagmorgen und Frida Santos betritt ihr Büro. Die junge Frau ist Ingenieurin bei einem mittelständischen Unternehmen, einem der Marktführer im Bereich Solarzellen, weltweit engagiert, aber ansässig in einer deutschen Kleinstadt. Frida Santos macht sich eine Tasse Kaffee, hält einen kleinen Schwatz mit einer Kollegin und bereitet sich dann auf das erste Meeting des Tages vor. Sie wechselt dafür in einen Raum, der akustisch und visuell abgeschirmt ist – er hat keine Fenster, die Wände sind schallgedämmt. Die Ingenieurin setzt sich ihre VR-Brille auf und betritt damit die Virtual Reality. In der Mitte des virtuellen Besprechungszimmers steht ein großer Tisch. Daran sitzen bereits einige Avatare – Kolleginnen und Kollegen aus Darmstadt, Stuttgart, Bologna und San Diego. Niemand musste fliegen, keiner eine Dienstreise beantragen. So klimaneutral funktioniert Zusammenarbeit für unsere erfundene Ingenieurin Frida Santos.

»Fakt oder Fiktion?«, stellt Dr. Dietmar Laß die Frage. Der Senior-Forschungsmanager aus der Geschäftsstelle des Fraunhofer-Verbundes IUK-Technologie gibt die Antwort mit einer klaren Prognose: »Metaverse ist mehr als ein Hype. Sicher ist: Es wird kommen, wie und in welchem Ausmaß auch immer.« Dietmar Laß fungiert mit seinem Team als Schnittstelle zwischen den Aktivitäten verschiedener Fraunhofer-Institute im Bereich Metaverse und dem zunehmenden Interesse großer Unternehmen an der neuen digitalen Wirklichkeit. Der IUK-Verbund entwickelt Metaverse-Technologien und gibt den Unternehmen als verlässlicher Partner Orientierung. »Wir beobachten in den vergangenen Jahren signifikante Investments großer Unternehmen, rasant fortschreitende Technik-Entwicklungen und eine Offenheit für diese Art der Kommunikation.« So prognostiziert Roland Busch, Vorstandsmitglied bei Siemens, einem Kooperationspartner der Fraunhofer-Gesellschaft: »Das industrielle Metaverse wird ein Ort sein, an dem wir Innovationen mit der Geschwindigkeit von Software vorantreiben. Es bietet enormes Potenzial für die Umgestaltung unserer Volkswirtschaften und Industrien.«

Das Metaverse ist eine relevante Chance für den Technologiestandort Deutschland. »Wir können mit unserem Technologie-Knowhow in vielen Bereichen punkten und müssen uns nicht verstecken«, sagt Holger Graf vom Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD. »So werden erweiterte Realität, Softwarelösungen für industrielle Geschäftsprozesse, die Virtualisierung und Verknüpfung von und mit 3D-Content sowie dezentrale, interoperable Datenplattformen in Zukunft eine große Rolle spielen. Wichtig ist, nun ein Innovationsökosystem aufzubauen. Dafür müssen die Digitaltechnologien mit industrieller Basis in Deutschland stärker verknüpft werden.«

Siemens Energy baut schon heute Kraftwerke im Metaverse nach, um vorherzusehen, wann diese gewartet werden müssen. Das Unternehmen verspricht sich davon, die Ausfallzeiten zu reduzieren und so den Kraftwerksbetreibern 1,7 Milliarden Dollar pro Jahr einzusparen. Der Autokonzern BMW plant mit der Omniverse-Plattform des Grafikprozessor-Herstellers Nvidia eine digitale Fabrik. »Erst wenn eine Maschine oder ein Bauwerk im digitalen Modell komplett entworfen und validiert ist, wird es in der Wirklichkeit umgesetzt«, sagt Dr. Leif Oppermann, Experte für Mixed and Augmented Reality Solutions am Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FIT in Sankt Augustin.

Prototypen direkt mit den künftigen Nutzern testen

Virtual-Reality-Fahrsimulatoren können zum Beispiel genutzt werden, um Prototypen direkt an Metaverse-Usern zu testen und ihr Feedback sofort im Design- und Fertigungsprozess zu berücksichtigen. So wurde am Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML ein Simulator für DB Schenker entwickelt, um das Gabelstaplerfahren zu üben. »Die Deutsche Bahn nutzt Künstliche Intelligenz und Virtual Reality auch für die digitale Instandhaltung, sei es, um Schäden zu finden oder zu beheben«, sagt Oppermann. Mechanikerinnen und Mechaniker können erst einmal an digitalen Zügen lernen, wie man sie repariert. »Auch BASF experimentiert mit Metaverse-Technologien für virtuelle Labore, virtuelle Showrooms und weltweite 3D-Kollabora­tionen.«

Unter dem Namen »CyberLänd« hat das Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA und dem Virtual Dimension Center (VDC) in Baden-Württemberg ein umfassendes Metaverse-Projekt initiiert. Gefördert durch das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg werden die Potenziale des Metaverse für Politik, Wirtschaft und Gesellschaft für das Ländle eruiert. Oberstes Ziel des Projektteams: Erst einmal Verständnis für das komplexe Thema schaffen. »Den Unternehmen fehlt es aktuell noch an konkreten Entwicklungsperspektiven im Metaverse«, sagt Prof. Katharina Hölzle, Leiterin des Fraunhofer IAO und des Instituts für Arbeitswissenschaft IAT der Universität Stuttgart. »Wir betrachten, wie eine interaktive Zusammenarbeit im Metaverse aussehen kann, wie Digitale Zwillinge umfassend eingesetzt werden können, wie man im Metaverse bezahlt und Weiterbildung on the Job anbietet.«

Im nächsten Schritt sollen dann Unternehmen in Baden-Württemberg identifiziert werden, die sich bereits mit Metaverse-Technologien beschäftigen, und auf einer Landkarte verzeichnet werden. »Im Rahmen einer empirischen Studie wollen wir ihre Erwartungen und Anforderungen herausfinden und für die breite Öffentlichkeit aufbereiten«, erklärt Katharina Hölzle. Ergebnis sollen Szenarien für das Jahr 2033 sein: Welche Rolle spielt das Metaverse zu diesem Zeitpunkt in Baden-Württemberg? Wie müssen Politik und Unternehmen handeln? Wie kann man die Gesellschaft einbinden? Ende dieses Jahres sollen alle Ergebnisse auf der Veranstaltung »Innovationsforum-Metaverse BW« vorgestellt werden.

Stehen wir an der Schwelle zur nächsten Entwicklungsstufe des Internets?

Außerhalb der Wirtschaft konzentriert sich das Interesse aktuell stark auf die generative Künstliche Intelligenz, doch in Zukunft werden sich Metaverse und die sogenannte starke KI (eine Künstliche Intelligenz, die wie ein Mensch eigenständig, flexibel und vorausschauend agieren kann) aller Voraussicht nach ergänzen. »Nur durch hochleistungsfähige Rechner, Fortschritte in den Bereichen selbstlernende Systeme, skalierbare 3D-Datenverarbeitung  und Internetbandbreite wird das Metaverse sich durchsetzen«, sagt Holger Graf vom Fraunhofer IGD in Darmstadt. Der Mathematiker forscht zu Virtual und Augmented Reality in industriellen Anwendungen. Wegen der enormen Rechenleistung, die für eine gute Darstellung im Metaverse notwendig ist, wird es aber wohl einige Jahre dauern, bis Lösungen für ein industrielles Metaverse wirklich zufriedenstellend und intuitiv funktionieren. »Auch befindet sich der XR-Brillen-Markt derzeit in einem permanenten Umbruch«, sagt Graf. »Die Einheiten, die man auf dem Kopf trägt, sind im Moment für ein tägliches Arbeiten noch nicht praktikabel.« Erst leichtere Displays mit verbesserten Sichtfeldern, mit denen man auch Augmented-Reality-Anwendungen zufriedenstellend nutzen kann, würden große Fortschritte für die Anwendung im Arbeitsalltag bringen. Ideal wären auch AR-Kontaktlinsen, die man direkt im Auge trägt. »Allerdings ist das noch Zukunftsmusik«, fügt Graf hinzu.

Was dann kommen kann, fasziniert heute schon die Expertinnen und Experten an den verschiedenen Fraunhofer-Instituten und die Kooperationspartner in den Unternehmen: »Durch die Dreidimensionalität, das Erleben von Situationen mit allen Sinnen, wird es uns in Zukunft viel leichter fallen, Zusammenhänge zu verstehen und unser Wissen zu erweitern«, sagt Prof. Katharina Hölzle. Dr. Michael Bau, Institutsleiter der ILAG GbR, dem Institut Leistung Arbeit Gesundheit, welches eng mit dem Fraunhofer FIT im Industriepark Troisdorf zusammenarbeitet, sieht als entscheidend für das Gelingen von Technikimplementationen in Unternehmen die Beteiligung  von Mitarbeitenden und Führungskräften an. Er schätzt im Rahmen der Evaluation im Projekt daher mit seinem Team die Wirkung und den Nutzen für die Beteiligten ein: »Geografische Entfernungen, körperliche Handicaps und sprachliche Grenzen können in naher Zukunft in den Hintergrund rücken«, prognostiziert er. »Dies ist unzweifelhaft ein Vorteil für alle Beteiligten.«

Metaverse-Experte Dietmar Laß fasst das Potenzial so zusammen: »Man kann das Metaverse durchaus als eine Revolution bezeichnen, weil es die Art und Weise, wie wir in Zukunft miteinander leben, kreieren, lernen, arbeiten, produzieren, verkaufen und konsumieren werden, grundlegend ändert.« Diese disruptive Kraft betont auch Prof. Vanessa Borkmann, Forscherin am Fraunhofer Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO: »Theoretisch kann jeder mitmachen, er muss lediglich über die passende Technologie und den Zugang verfügen. Das Metaverse wird so zu einer Erweiterung unseres Handlungsspielraumes und hat ein enormes Potenzial für die Arbeitswelt.«

Frida Santos, die Ingenieurin aus der Zukunft, begrüßt nun ihr Team, das im Besprechungsraum sitzt. Heute wollen sie gemeinsam die technische Weiterentwicklung eines Solarzellen-Prototyps besprechen. Wenn sich Frida Santos umdreht, kann sie ein digitales Board sehen, auf das der Kollege aus San Diego bereits einige technische Probleme, die es mit der Solarzelle gibt, gebeamt hat. Der Datentransfer erfolgt über ein 5G-Netz, das notwendig ist, um diese riesigen Datenmengen zu übertragen; auch Prozessor und Speicher müssen Höchstleistungen erbringen. Nachdem das Team Lösungen für die Fehlermeldungen beraten hat, geht Frida Santos in den nächsten Metaverse-Raum. Er ist der Produktionshalle ihres Arbeitgebers in Sydney nachempfunden. Die junge Ingenieurin tritt an eine der Maschinen und ändert einige Einstellungen. Ein Roboter vor Ort in Sydney führt ihre Handlungen sofort aus. Es ist, als wäre Frida Santos innerhalb weniger Sekunden einmal um die halbe Welt gereist.

Reale Objekte – heute schon im Metaverse-Einsatz

Einer, der heute schon die realen Objekte als Digitale Zwillinge für das Metaverse verwendet, ist Yücel Uzun vom Fraunhofer FIT. Er ist der technische Leiter und Hauptentwickler des Mixed-Reality-Anwendungsfalls im Projekt »5G Troisdorf IndustrieStadtpark« und hat dafür Apps zur Visualisierung und Anwendung von Digitalen Zwillingen programmiert. Sein Team arbeitet mit zwei Industriepartnern zusammen: Kuraray ist ein Chemieunternehmen, das zum Beispiel Industriepolymere und synthetische Mikrofasern herstellt. Es nutzt dafür Industriemaschinen von ZWi Technologies. Da sich Kuraray in vielen verschiedenen Ländern engagiert, wird es oft sehr kurzfristig mit technischen Problemen konfrontiert: Eine Maschine geht in Japan kaputt oder ein neuer Mitarbeiter muss dort geschult werden. Eigentlich müsste sich nun ein Experte oder eine Expertin auf den Weg machen – einen Flug buchen, alle anderen Termine für Tage absagen, einen Kindersitter bestellen. Das kostet viele Arbeitstage und viel Geld.

Yücel Uzuns Team hat jedoch eine Lösung entwickelt – ein System, mit dem eine Fachkraft in Sekunden vor Ort ist: Mit einer HoloLens 2 und einer VR-Brille – kann der deutsche Experte über das Metaverse mit dem Werksmitarbeiter in Japan kommunizieren, als wären sie im selben Raum. Auch gibt es einen Digitalen Zwilling der Maschine, die gewartet werden muss. »Beide können als Avatare auftreten, miteinander sprechen und an der virtuellen Maschine arbeiten«, sagt Yücel Uzun. »Der Experte aus Deutschland kann zudem ganz einfach Anleitungen und wichtige Anmerkungen im virtuellen Raum rüberschicken, um dem Werksmitarbeiter zu helfen.«

Yücel Uzun testet zum Beispiel das virtuelle 3D-Modell eines Granulators – die Maschine sammelt überschüssige Folie auf und granuliert sie zu Staub. »Das hört sich einfach an, ist es aber nicht. Wir wissen nun, dass Mitarbeiter im Metaverse an der Maschine trainieren oder diese direkt reparieren können, wenn sie kaputt ist.« Von einem Werksmitarbeiter in der Fabrik werden die Anpassungen dann ausgeführt.

»Wir müssen eine Haltung entwickeln, wie man Missbrauch ausschließt.«

Vordenker des Metaverse hoffen, dass das Internet der Zukunft dezentral laufen wird – also von niemandem, keinem Staat, keinem Unternehmen, kontrolliert wird. Dadurch könnten die verschiedenen Plattformen miteinander verbunden und Elemente von einer Umgebung in die nächste mitgenommen werden. Doch diese Liberalität birgt auch viele Risiken. »Zentrale Kritikpunkte betreffen juristische Unsicherheiten im internationalen Kontext, den Umgang mit Nutzerdaten und geistigem Eigentum, die Gefahr krimineller Aktivitäten, den hohen Ressourceneinsatz und die Verstärkung von Tendenzen des Web 2.0.«, sagt Dr. Leif Oppermann, Experte für Mixed and Augmented Reality Solutions am Fraunhofer FIT. »Wenn Digitale Zwillinge von Fabriken oder Maschinen im Metaverse nach Bauart der herkömmlichen Internet-Geschäftsmodelle verwendet werden, sind die Unsicherheiten für Unternehmen zu groß.« Er rät dazu, sich mit der Technik auseinanderzusetzen, um die Vorteile zu der räumlichen Interaktion zu nutzen und die Probleme zu minimieren. Dabei sei ein gemeinschaftliches Vorgehen unumgänglich. »Dann aber sind auch gute und mehrwertige Lösungen für den deutschen Mittelstand möglich, die zum Beispiel eine verbesserte Fernwartung am Digitalen Zwilling einer Maschine ermöglichen, ohne dass die Daten in Gefahr sind«, so Oppermann. »In dieser frühen Phase des Metaverse müssen wir eine Haltung entwickeln, wie man Missbrauch ausschließt und wie man eine Ethik implementiert, um die schlechten Seiten des Web 2.0 nicht noch zu potenzieren«, bestätigt Prof. Katharina Hölzle. Nur auf diesem Fundament kann ein Metaverse entstehen, das unser Leben bereichert – und es nicht noch mehr verkompliziert.

Wenn diese Rahmenbedingungen geschaffen sind, birgt das Metaverse ein enormes Potenzial für Handel, Immobilienmarkt, Tourismus, Bildungsbereich und den öffentlichen Sektor. Im Forschungsbereich Stadt­systemgestaltung am Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO werden bestehende oder potenzielle Stadtumgebungen in die virtuelle Welt übertragen. Dabei dient das Metaverse als Plattform für die schnelle Prototypisierung von Stadtplanung und -entwicklung. »Mit diesen Digitalen Zwillingen können wir Zukunftsszenarien simulieren und für Investoren oder Nutzer greifbar machen«, sagt Ronja Gaulinger, Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer IAO im Forschungsbereich Stadtsystemgestaltung. Es können nicht nur eine komplette Stadt, sondern auch einzelne Gebäude in der virtuellen Welt gebaut werden, an denen Forscherinnen und Forscher verschiedene Ausstattungen durchspielen und nach Problemen suchen. »Investoren können so erst einmal virtuell in ein Gebäude hineingehen, bevor es gebaut wird«, sagt Gaulinger.

Auch im Rahmen des Innovationsnetzwerks »Future­Hotel« des Fraunhofer IAO wird das Metaverse genutzt, um die Frage zu beantworten, wie das Hotel der Zukunft aussehen könnte. Aber auch Urlauber können beispielsweise Hotels oder Reiseziele erst einmal im Metaverse besuchen, um dann den perfekten Urlaub im echten Leben zu buchen.

»Das Metaverse stellt einen Wendepunkt für Unternehmen dar.«

Inwieweit diese neue Technologie, die ähnlich revolutionär wie die Einführung des Smartphones sein könnte, tatsächlich unseren individuellen Alltag verändert, ist noch schwer abzuschätzen. »Werden wir noch weniger Zeit an der frischen Luft und mit echten Menschen verbringen? Oder schenkt uns die Technik gerade diesen Freiraum?«, fragt Katharina Hölzle. »Vielleicht entwickelt sich hier auch eine Gegenbewegung, die abseits des Digitalen das Echte und Berührbare sucht und abseits des Metaverse die realen Kontakte wieder mehr verfestigt.«

Sicher ist: Das Metaverse wird die Industrie in Deutschland grundlegend verändern. Vor allem für den Innovationsprozess von Unternehmen hat es enorme Vorteile. In der Ideenphase könnten Kunden und Lieferanten aus der ganzen Welt, die über die erforderliche Ausrüstung verfügen, schnell und einfach über das Metaverse eingebunden werden, sodass Produkt- und Serviceideen noch stärker auf die jeweiligen Bedürfnisse zugeschnitten werden können. Bewertung und Auswahl von Alternativen werden beschleunigt, denn bereits im Planungsprozess können die Produkte wie ein Auto oder eine Waschmaschine virtuell simuliert und getestet werden. Die Erkenntnisse, die die Unternehmen daraus gewinnen, können dazu genutzt werden, die Produkte unkompliziert zu verbessern. In kurzer Zeit sind die neuen Produktionsdaten dann in die Fabriken gesendet, die überall auf der Welt stehen.

So berechnet eine Studie des Wirtschaftsprüfers McKinsey, dass das Metaverse bis zum Jahr 2030 einen Wert von bis zu fünf Milliarden Dollar erreichen kann. 95 Prozent der befragten Führungskräfte erwarten, dass das Metaverse innerhalb von fünf bis zehn Jahren einen positiven Einfluss auf ihre Branche haben wird. 31 Prozent glauben, dass es die Arbeitsweise ihrer Branche grundlegend verändern wird. »Das Metaverse stellt einen Wende­punkt in der Strategie für Unternehmen dar«, sagt Metaverse-Experte Dietmar Laß. Für ihn ist klar: Es ist einfach zu groß, um es zu ignorieren.           

Der Begriff Metaversum (englisch Metaverse) setzt sich aus der Vorsilbe meta- (für »jenseits«) und Universum zusammen. Er wurde erstmals im Jahr 1992 im Science-Fiction-Roman »Snow Crash« des Schriftstellers Neal Stephenson erwähnt. Darin wechselt die Hauptperson immer wieder aus ihrem echten Leben in Los Angeles in eine virtuelle Welt, die als breite Straße dargestellt ist und einen schwarzen Planeten umspannt. Im Metaverse streben die Avatare nach immer mehr Wissen, Macht und Geld. Stephenson zeichnet damit eine Dystopie, eine beängstigende Realität mit einer nicht wünschenswerten Gesellschaftsordnung. In William Gibsons Roman »Neuromancer« heißt der virtuelle Ort hingegen »Cyberspace«. Und auch in einer Reihe von Filmen, unter anderem »Ready Player One« von 2018, taucht die Idee dieser digitalen Zukunft auf.

In den 1990er-Jahren begannen Technikfans und Unternehmen eine digitale Welt zu entwickeln, wie sie Neal Stephenson in seinem Buch gezeichnet hat. Einen Vorgeschmack gaben Spiele-Plattformen wie Roblox oder Second Life, auch im Computerspiele Fortnite kann man in ein Meta­verse eintauchen und hier Konzerte oder Filmpremieren erleben. Nach einiger Zeit sprangen dann Tech-Giganten auf den Zug auf: Microsoft entwickelt derzeit eine virtuelle Meeting-Atmosphäre, in der Avatare einander treffen. Bis Ende des Jahres soll Microsoft Teams um die Möglichkeit ergänzt werden, Virtual-Reality- und Augmented-Reality-Brillen zu nutzen. Auch das Unternehmen Nvidia, Hersteller des schnellsten Grafikprozessors der Welt, entwickelt ein Omniverse, mit dem man Metaverse-Anwendungen herstellen kann. Doch spätestens seit Mark Zuckerberg den Facebook-Konzern in Meta umbenannt hat, ist der Begriff im Mainstream angekommen. Zuckerberg bezeichnet das Metaverse als »die neue Generation des Internets« – im Jahr 2030 soll der Umsatz bereits 800 Milliarden US-Dollar betragen, errechnete der Finanzdienst Bloomberg Intelligence.