Antikörperentwicklung in Höchstgeschwindigkeit

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.02.2021

Der Weg zu neuen Biopharmaka ist lang und kostspielig. Von der Entdeckung eines Protein-Wirkstoffs bis zur Marktreife des Medikaments vergehen oft mehr als zehn Jahre. Eine große Hürde stellt der Weg vom Labor in die klinische Prüfung dar. Üblicherweise dauert es anderthalb bis zwei Jahre, um solche Prüfmedikamente für klinische Studien herzustellen. Die Pharmazeutische Biotechnologie des Fraunhofer-Instituts für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM konnte diesen Schritt durch eine neue Produktionsstrategie auf sechs Monate verkürzen.

Weltweit wird seit Monaten mit Hochdruck an Therapeutika und Impfstoffen gegen das Corona-Virus geforscht. Die Pandemie hat dabei einmal mehr vor Augen geführt, wie unerlässlich es ist, Medikamente schnell zum Patienten zu bringen. Doch die Realität ist eine andere: Allein die Bioprozessentwicklung und Pilotherstellung eines auf Proteinen basierenden Arzneimittelkandidaten dauern anderthalb bis zwei Jahre. Im Anschluss daran beginnt eine aufwändige, aus drei Phasen bestehende klinische Entwicklung. Doch viele der Kandidaten scheitern bereits in der ersten oder zweiten Phase der klinischen Studie durch mangelnde Verträglichkeit oder Wirksamkeit. Darum besteht viel Interesse und Notwendigkeit am schnellen Zugang zu klinischen Ergebnissen. Forscherinnen und Forschern der Pharmazeutischen Biotechnologie des Fraunhofer ITEM in Braunschweig ist es nun gelungen, den Zeitbedarf von der Entdeckung eines neuen Wirkmechanismus‘ bis zur Bereitstellung von klinischer Prüfware deutlich zu reduzieren. »Mit unserer neuen Fast-Track-Herangehensweise bei der Verfahrensentwicklung sparen wir mehrere Monate ein – die Entwicklung inklusive der Pilotherstellung dauert jetzt anstatt anderthalb bis zwei Jahre nur noch ein halbes Jahr«, sagt Prof. Dr. Holger Ziehr, Bereichsleiter Pharmazeutische Biotechnologie am Fraunhofer ITEM. Davon profitieren die Pharmaindustrie und der Patient gleichermaßen. Der neue Weg der Fast-Track-Bioprozessentwicklung wurde aus der Not der COVID-19-Pandemie geboren. »Er ermöglichte uns in enger Zusammenarbeit mit einem Industriepartner, den Zeitbedarf für die Herstellung eines klinischen Antikörperpräparats auf ein Drittel der herkömmlichen Zeit zu verkürzen. Antikörper sind von Immunzellen gebildete Proteine, die u. a. infektiöse Erreger binden und Mechanismen auslösen, um diese zu zerstören. Als Medikament verabreicht, unterstützen sie das Immunsystem«, erläutert der Wissenschaftler.

Entwicklungsstrategie mit Paul-Ehrlich-Institut abgestimmt

Im Labor hergestellte Antikörper können chronische Entzündungen lindern. Sie helfen bei neurodegenerativen Erkrankungen und in der Tumortherapie. Vielversprechend sind darum biotechnologisch hergestellte Antikörper auch zur Therapie von COVID-19. »Will man einen humanen Antikörper gegen SARS-CoV-2 entwickeln, befindet man sich in einem extremen Wettlauf gegen die Zeit. Anderthalb bis zwei Jahre sind schlichtweg zu lang. Das war für uns der Auslöser, eine neue Produktionsstrategie zu wählen, damit ein geeigneter Wirkstoffkandidat viel schneller in die klinischen Studien starten kann«, so Ziehr. Um Planungssicherheit für die neue Entwicklungsstrategie zu haben, wurde diese als erstes der nationalen Zulassungsbehörde, dem Paul-Ehrlich-Institut, vorgestellt.

Der Produktionsprozess am Fraunhofer ITEM basiert, wie fast alle anderen Antikörper-herstellungsprozesse auch, auf CHO-Zellen, kurz für Chinese Hamster Ovary. So wird eine immortalisierte Zelllinie aus Ovarien des Chinesischen Zwerghamsters bezeichnet. Rund 80 Prozent aller biotechnologisch hergestellten Pharmaproteine werden mit dieser Zelllinie hergestellt. Einer der Hauptgründe: Die Zuckerketten, die in der CHO-Zelle an ein neu synthetisiertes Protein angehängt werden, ähneln denen des Menschen.

Zellfabrik für die Antikörper-Produktion

Doch wie ist es den Forschern nun gelungen, den Wirkstoffkandidaten in so kurzer Zeit zu produzieren? Um Antikörper herzustellen, müssen deren Gene in CHO-Zellen eingebracht werden. Sprich, die genetische Information, also die DNA, die das entsprechende Antikörpergen enthält, wird in die CHO-Zelle eingebracht. »Hierfür nutzen wir ringförmige DNA-Moleküle, sogenannte Plasmide, die wir über einen als Transfektion bezeichneten Prozess in die CHO-Zellen einschleusen«, führt der Biologe aus. Die Transfektion erfolgt in einem Gefäß mit wenigen Millilitern Nährflüssigkeit und Millionen von Zellen. In diese Kultur werden die Plasmide gegeben, die in die Zellen eindringen und sich danach nach dem Zufallsprinzip in das Chromosom integrieren. Durch die Zusammensetzung der Kulturflüssigkeit wird erreicht, dass sich im Folgenden nur die Zellen teilen, die auch das Antikörpergen aufgenommen haben. Bei der klassischen Herangehensweise müssen anschließend in einem langwierigen nächsten Schritt die Zellen so lange vereinzelt und untersucht werden, bis am Ende ein CHO-Zellklon übrig bleibt, der das Antikörpergen optimal in das Genom integriert hat.

Dieser Prozess ist enorm zeitaufwändig, da eine Zelle für eine einzige Teilung schnell einmal 48 Stunden benötigt. »Bis ich also einen brauchbaren Klon erhalte, kann durchaus ein Jahr vergehen. Das ist viel zu lang, insbesondere wenn es um ein COVID-19-Medikament geht. Daher haben wir auf den zeitraubenden Schritt der Vereinzelung verzichtet und gleich mit dem Zellpool aus der Transfektion weitergearbeitet. Wir haben also in Kauf genommen, dass einige Zellen die genetische Information für den Antikörper sehr gut eingebaut haben und andere weniger gut. Die dem Pool auferlegten Selektionsbedingungen haben aber dafür gesorgt, dass die am meisten Antikörper produzierenden Zellen auch am besten wachsen – die eine erzeugt dabei mehr, die andere etwas weniger Antikörper, aber alle produzieren den gleichen Antikörper.«

Neues Geschäftsmodell etabliert

Diese Risikobereitschaft hat sich gelohnt: Das Ergebnis ist ein stabiler Zellpool, der gut wächst und dabei in der Summe große Mengen an Antikörpern produziert. Die Forscher haben mit ihrer Produktionsstrategie nach nur sechs Monaten eine große Menge an Antikörper-Wirkstoff in Pharmaqualität erhalten und konnten bereits 3500 Dosen für eine klinische Prüfung abfüllen. Der Clou: Die High-Speed-Entwicklung lässt sich auf die Herstellung nahezu beliebiger Pharmaproteine übertragen und eröffnet damit für die Pharmazeutische Biotechnologe des Fraunhofer ITEM ein völlig neues Geschäftsmodell.

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Hartmagnetische Schichten für die hochpräzise Mikroskopie

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 04.01.2021

Im Kampf gegen das Coronavirus kommt der Mikroskopie ein besonderer Stellenwert zu: Spezial-Mikroskope sind ein unverzichtbares Hilfsmittel bei der Darstellung kleinster Zellstrukturen. Sie helfen, die Entwicklung von Impfstoffen und Therapien voranzutreiben. Dabei sind die Anforderungen an die optische Auflösung der Mikroskope und die Präzision der Mikroskoptische enorm. Hartmagnetische Schichten des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST tragen dazu bei, kleinste Zellstrukturen sehr schnell und genau zu erfassen.

Mikroskop- und Labortechnik sind ein unverzichtbares Hilfsmittel im Kampf gegen Viren und Bakterien. Sie unterstützen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei der Suche nach Impfstoffen und Therapien, etwa gegen SARS-CoV-2. Am Fraunhofer IST in Braunschweig entwickeln Forscherinnen und Forscher hartmagnetische CoSm-Schichten (kurz für Kobalt-Samarium) für magnetische Maßstäbe. Diese Bänder werden in den Mikroskoptischen der Dr. ITK Kassen GmbH eingesetzt. Im Zusammenspiel mit Sensoren und einem Auswertealgorithmus erhöhen sie die Positioniergenauigkeit des Mikroskoptischs, auf dem die Probe zur Beobachtung abgelegt wird. »Biologisches Material wie Zellen können sich bewegen, daher muss ich Positionen bis auf den Mikrometer präzise anfahren können«, sagt Dr. Ralf Bandorf, Wissenschaftler am Fraunhofer IST. Die Mikroskoptische, die mit der magnetischen Positionierung arbeiten, lassen sich sehr kompakt bauen – sie werden in Mikroskopen von namhaften Herstellern wie Leica oder Zeiss eingesetzt. Die CoSm-Schichten wurden in enger Zusammenarbeit mit dem Industriepartner entwickelt.

Positionsauflösung im Nanometerbereich

Das Team rund um Dr. Bandorf bringt die CoSm-Schichten auf unmagnetische Metallbänder auf, sprich diese erhalten eine definierte magnetische Struktur bzw. Funktionsschicht, die sich mit einem Signalmuster codieren und per Sensor auslesen lässt, um eine Positionsbestimmung vornehmen zu können. »Im Zusammenspiel mit den integrierten Sensoren, die die Signale auslesen, ermöglichen unsere Schichten das Anfahren von Positionen bis auf fünf Nanometer genau«, so der Ingenieur. Die Tische ermöglichen durch das integrierte Messsystem eine Absolutbestimmung der Position, ohne Referenzierung. Wiederholgenauigkeiten von plus/minus 100 Nanometer sind erreichbar. Dies ist besonders bei der Untersuchung von lebenden Objekten wichtig, wo die Untersuchungszeit oftmals knapp und ein schnelles Positionieren daher essentiell ist.

Die Schichten ersetzen galvanische Kobaltschichten, für die umweltschädliche Chemikalien benötigt werden. Sie zeichnen sich durch ihre Robustheit und Langlebigkeit sowie durch besonders gute magnetische Eigenschaften aus: Sie ermöglichen ein stärkeres magnetisches Signal und berührungsloses Messen. Auch kann man in geschlossenen Bauteilen wie etwa Hydraulikzylindern messen, an die optische Systeme nicht gelangen.

Anders als reine Kobaltschichten sind die CoSm-Schichten nicht so leicht ummagnetisierbar und unempfindlich gegenüber Störfeldern. Außerdem lassen sich sehr feine Schichtdicken erzielen. Darüber hinaus erlauben sie auch das Messen in verschmutzten Bereichen. Aber auch Winkelpositionen und Radialbewegungen lassen sich messen. Dies ist in Robotikanwendungen relevant – etwa in der Automobilbranche. »Bringt man eine kompakte CoSm-Schicht direkt auf das Bauteil wie ein Kugellager auf, kann man zusätzliche Informationen erhalten«, erklärt Bandorf. Auch im Bereich der Elektromobilität steigt die Nachfrage nach hochgenauen magnetischen Messsystemen.

Umweltfreundliches Beschichtungsverfahren

Die CoSm-Schichten werden mit einer am IST entwickelten Technologie, dem Hohlkathoden-Gasfluss-Sputtern, einem Vakuumbeschichtungsverfahren hergestellt. Anders als bei galvanischen Verfahren kommen hier keine Schadstoffe zum Einsatz.

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Krebserkrankungen über die Atemluft erkennen

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.12.2020

Unsere Atemluft enthält Informationen, die sich für die Diagnostik von Krankheiten nutzen lassen. Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer-Projektzentrum für Mikroelektronische und Optische Systeme für die Biomedizin MEOS entwickeln Lösungen, die künftig die Analyse der Atemluft ermöglichen. Bei ihren Forschungsarbeiten fokussieren sie sich auf das frühzeitige Erkennen von Krebserkrankungen. Aber auch die Unterscheidung zwischen COVID-19 und anderen Atemwegsinfektionen ist denkbar.

Manche Krankheiten kann man riechen. Ein leicht süßlich-fruchtiger Acetongeruch etwa deutet auf Diabetes hin. Bereits im antiken Griechenland berichteten Ärzte, Krankheiten im ausgeatmeten Atem zu erkennen. Die charakteristischen Gerüche entstehen durch spezifische flüchtige organische Verbindungen (VOC). Diese werden durch die erkrankten Gewebe oder die Krankheitserreger selbst freigesetzt, noch bevor Symptome auftreten.

Die Ausatemluft – Fingerabdruck des menschlichen Stoffwechsels

»Bei einer Vielzahl von Erkrankungen verändert sich die Zusammensetzung der flüchtigen organischen Spurengase in der Atemluft, die als Biomarker verwendet werden können. Oftmals sind es Kombinationen aus mehreren Spurengasen in einer deutlich erhöhten oder deutlich erniedrigten Konzentration, die charakteristisch für eine bestimme Krankheit sind. Man spricht hier auch von einem VOC-Fingerprint oder einem Muster an VOCs«, erläutert Dr. Jessy Schönfelder, Wissenschaftlerin am Fraunhofer MEOS. Am Projektzentrum in Erfurt arbeiten die Fraunhofer-Institute für Zelltherapie und Immunologie IZI, für Photonische Mikrosysteme IPMS und für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF interdisziplinär zusammen.

Solche Marker-Kombinationen gibt es für sehr viel mehr Krankheiten als bisher bekannt. Sie müssen Stück für Stück entschlüsselt werden. Darin bestehe auch die Herausforderung für die Chemikerin und ihr Team. Sie entwickeln ein spezielles Ionenmobilitätspektrometer (IMS), um solche Muster an VOCs zu erkennen. Keine leichte Aufgabe, bedenkt man, dass jeder Mensch etwa 200 VOCs in der Atemluft hat. Im Mittelpunkt der Forschung stehen Krebsleiden, insbesondere Lungenkrebs.

Ziel des Forscherteams am Fraunhofer MEOS ist es, mit der neuen Technologie eine große Bandbreite an Biomarkern zu detektieren. Künftig wollen die Forscher das Messsystem auch zum Unterscheiden von COVID-19 und anderen Atemwegsinfektionen nutzen. Es kommt auch im Fraunhofer Clusterprojekt M3Infekt zum Einsatz, das die Entwicklung eines modularen, multimodalen und mobilen Monitoringsystems zum schnellen Eingreifen bei plötzlichen Zustandsverschlechterungen von COVID-19 Patienten zum Inhalt hat. Des weiteren soll die Atemanalytik künftig erste Hinweise auf neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer liefern – und zwar früher und angenehmer als bisherige Methoden wie die Blutabnahme – schließlich muss der Patient nur in ein Röhrchen pusten.

»Das Potenzial der Atemluftsensorik ist groß. Die nicht invasive IMS-Technologie ist sensitiv und selektiv, schnell, kostengünstig und zudem klein und mobil, sodass sie problemlos in Arztpraxen und Krankenhäusern eingesetzt werden kann. Das fertige System wird die Größe eines Schuhkartons haben«, sagt Schönfelder.

FAIMS-Chip mit alternierender Spannung

Herzstück des neuartigen Ionenmobilitätsspektrometers ist ein miniaturisierter FAIMS-Chip (High Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry). Das MEMS-Bauelement umfasst einen Ionenfilter und einen Detektor. Eine UV-Lampe komplettiert das Gerät. Zunächst werden die VOCs in einem Trägergasstrom in das Spektrometer gepumpt, wo sie im nächsten Schritt mit Hilfe des UV-Lichts ionisiert werden. Das heißt, sie werden zu geladenen Molekülen. »Diese leiten wir an den FAIMS-Chip weiter, der am Fraunhofer IPMS entwickelt wurde. Anschließend legen wir an die Filterelektroden eine alternierende Spannung an. Durch das Einstellen der Spannung am Filter kann man auswählen, welche VOCs zum Detektor gelangen. Auf diese Weise erhalten wir unser VOC-Fingerprint, anhand dessen wir die Erkrankung erkennen können«, erklärt Schönfelder das Verfahren.

Derzeit arbeitet das Forscherteam an einer optimierten elektronischen Steuerung und einer verbesserten Probenentnahme und -Probenführung. Referenzmessungen an Zellkulturen wurden erfolgreich durchgeführt, weitere Untersuchungen mit humanen Proben aus der Klinik sind geplant. Am Fraunhofer IZI konnten in einem abgeschlossenen Projekt bereits sieben verschiedene Bakterienstämme mit einer ähnlichen Technologie unterschieden werden.

Darüber hinaus sollen eigens entwickelte KI-Algorithmen die Auswertung der VOC-Fingerprints erleichtern. »Pro Messung erhalten wir eine halbe Million Messwerte. Diese hohe Datenmenge wollen wir per Machine Learning auswerten«, so die Forscherin. Der Algorithmus wird mit Proben von gesunden Probanden und Krebspatienten trainiert. Das Messergebnis liegt innerhalb weniger Minuten vor. »Wir können uns auch vorstellen, dass unser Ionenmobilitätspektrometer in Zukunft zum Screening von Fluggästen eingesetzt wird, um zu prüfen, ob sie mit dem Coronavirus infiziert sind«, so die Chemikerin.

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Rapid Prototyping: Baumaschinen im Software-Test

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.11.2020

Die Entwicklung neuer Produktgenerationen bei Nutzfahrzeugen oder Baumaschinen ist aufwendig. Mit »Hardware-in-the-Loop« bieten Forschende der Fraunhofer-Gesellschaft eine Möglichkeit, Maschinen in einer Software-Simulation nachzubilden und virtuell zu testen. Die Herstellung neuer Maschinen wird dadurch schneller und preisgünstiger. Mit der Technik lassen sich auch Störfälle und kritische Grenzsituationen ohne Gefahr für Mensch oder Maschine testen.

Baumaschinen gehören zum Straßenbild einer jeden Stadt. Sie heben Erde für U-Bahn-Schächte aus, planieren Straßen und hieven tonnenschwere Lasten in schwindelerregende Höhen. Um diese Aufgaben zu bewältigen, müssen sie nicht nur robust und leistungsstark sein, sondern auch extrem zuverlässig, präzise und sicher. Ein Turmdrehkran ist in der Lage, mitten in der dicht besiedelten Stadt einen tonnenschweren Werkzeugcontainer hunderte Meter hoch zu hieven, um diesen zentimetergenau auf der Plattform eines Hochhauses abzulegen. Dementsprechend aufwendig und teuer ist die Entwicklung solcher Maschinen und das Testen der Prototypen.

Unterstützung bietet das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern mit einem Teststand der besonderen Art. Er basiert auf einem HiL-Simulator (Hardware-in-the-Loop). Damit lassen sich im Prinzip jede beliebige Maschine und deren Steuerung gekoppelt mit einer Software-Simulation virtuell testen. In der Autoindustrie ist HiL bei der Entwicklung neuer Modelle bereits Standard. Bei Nutzfahrzeugen aber noch nicht. Die Fraunhofer-Forschenden hatten allerdings schon vor Jahren erkannt, dass die Nutzfahrzeugbranche durch immer kürzere Innovationszyklen, die zunehmend modulare Bauweise und die Digitalisierung der Steuerungstechnik einen ganz ähnlichen Bedarf hat und das Testkonzept entsprechend übertragen. »Mit unserem HiL-Simulator sind wir in der Lage, Baumaschinen aller Art zu testen, beispielsweise unterschiedliche Kran-Typen oder auch Betonpumpen. So helfen wir bei der Optimierung der Prototypen«, erklärt Projektleiter Dr. Christian Salzig. Eine reale Testumgebung ist nicht mehr nötig.

Digitaler Zwilling der Baumaschine im Simulator

Im ersten Schritt wird die zu testende Maschine als Software-Modell nachgebaut, in die alle technischen Spezifikationen einfließen. Dazu gehören die Abmessungen, die Leistungsdaten der Motoren, die Stärke der Stützstrukturen, die Gewichtsverteilung, die Winkel beim Bewegen der Ausleger, deren Länge und vieles mehr. Gleichzeitig sind die physikalischen Gesetze der Mechanik, Hydraulik und Elektronik wie Kräfte, Drücke oder Steuersignale als mathematische Gleichungen in die Software implementiert. Auf diese Weise entsteht ein Digitaler Zwilling.

Im nächsten Schritt wird der Simulator mit dem digitalen Zwilling an die elektronischen Steuereinheiten angeschlossen, die die Baumaschine im Betrieb kontrollieren und steuern. Eine Fachkraft bedient die zahlreichen Regler und Joysticks, die wiederum mit den Steuereinheiten verbunden sind. Auf einem Display stellt eine animierte 3D-Grafik alle Bewegungen der Maschine dar.

Der HiL-Simulator-Test zeigt zunächst, wie präzise Steuereinheit und Maschine zusammenwirken, und wie feinfühlig Bedienelemente wie Joysticks agieren. Moderne Baumaschinen sind mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet. Sie registrieren Werte wie Drehmoment und Beschleunigung der Ausleger, Druck, Gewicht, das an Seilzügen zieht, oder die Neigung des Bodens unter der Maschine. Auch hier zeigt die Simulation, ob die Kommunikation zwischen Maschine und Steuereinheit auf Basis der Sensordaten präzise und verzögerungsfrei funktioniert. Technische Störungen lassen sich ebenfalls simulieren – etwa, was passiert, wenn an einer Gelenkstelle ein Kabel bricht oder die Hydraulik des Hebeelements Druck verliert.

Sicherheit und Grenzsituationen

Entscheidend beim Betrieb von Nutzfahrzeugen und Baumaschinen ist die Sicherheit. »Die Hersteller wollen wissen, was ihre Maschine in Grenzbereichen leistet und ab wann es kritisch wird«, sagt Christian Salzig. Der Simulator testet beispielsweise, was passiert, wenn eine Last anfängt zu pendeln oder Flüssigkeiten in einem Transportbehälter hin und her schwappen. Auch ein instabiler oder geneigter Untergrund, auf dem die Baumaschine steht, gehört zum Test-Parcours. Teleskopbühnen müssen beispielsweise in beengten Verhältnissen ihre Abstützungen platzieren. Mit den Hardware-in-the-Loop-Tests sehen die Produktentwickler, ab welchem Neigungswinkel der Digitale Zwilling instabil wird oder sogar umkippt. In einer realen Umgebung mit echten Maschinen wären solche Tests teuer und riskant. Der HiL-Simulator erledigt dies völlig gefahrlos für den Menschen und es werden auch keine teuren Prototypen beschädigt oder gar zerstört.

Rapid Prototyping für Baumaschinen

Mit dem Teststand am Fraunhofer ITWM können die Hersteller die Praxistauglichkeit und Leistung ihrer Maschine schon in einem frühen Stadium der Entwicklung prüfen, nachbessern und optimieren. Alle Funktions- und Belastungstests können bereits in der Konzeptphase erfolgen und nicht erst, wenn der erste Prototyp fertig ist. Das Verfahren ist auch als Rapid Prototyping bekannt. Nutzfahrzeug-Hersteller sind somit in der Lage, neue Produktgenerationen schneller und zu geringeren Entwicklungskosten auf den Markt zu bringen.

Fraunhofer-Experte Salzig weist noch auf einen weiteren Vorteil hin: »Die Hersteller wollen natürlich bei jeder neuen Produktgeneration Material einsparen, den Energieverbrauch senken, neue Funktionen integrieren und die Maschinen kleiner und mobiler machen.« Genau solche Verbesserungen macht Hardware-in-the-Loop möglich. In der Simulation finden die Expertinnen und Experten heraus, ob eine bestimmte gewünschte Eigenschaft oder Tragfähigkeit auch mit weniger Materialaufwand zu realisieren wäre oder ob dieselbe Leistung und Funktionalität nicht auch mit einer kleineren Maschine erreichbar wäre. Ein besonders kompakter Mobilkran könnte dann beispielsweise an Standorten operieren, die für das Vorgängermodell zu eng sind. Er würde trotzdem die gleichen Lasten heben und dieselbe Höhe erreichen.

Bei der komplexen Testprozedur halten die Expertinnen und Experten des Fraunhofer ITWM Kontakt zu den Herstellern. »Es ist nicht so, dass wir einen Auftrag bekommen, dann alleine testen und nach ein paar Monaten einen Testbericht schreiben. Wir arbeiten vielmehr während der gesamten Testreihe eng zusammen und diskutieren gemeinsam die nächsten Schritte«, bestätigt Christian Salzig.

Aktuell plant das Institut schon die nächste Erweiterung: die Integration der 5G-Funktechnik. Diese wird in den nächsten Jahren eine immer größere Rolle bei der drahtlosen Steuerung von Maschinen und Geräten in der Industrie spielen. Derzeit arbeitet das Fraunhofer ITWM an einer Schnittstelle, die den HiL-Simulator mit 5G-Sende- und Empfangsmodulen verbindet.

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Schnelle Hilfe für Verschüttete

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.10.2020

Sei es bei Lawinen, sei es bei Erdbeben – Verschüttete müssen schnellstmöglich geborgen werden. Mit einem neuartigen mobilen Radargerät des Fraunhofer-Instituts für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR lassen sich künftig hektargroße Bereiche rasch und gründlich durchsuchen. Der Clou: Die Technologie kombiniert Bewegung und präzise Lebenszeichendetektion.

In manchen Regionen bebt die Erde täglich mehrere hundert Mal. Die meisten dieser Beben sind nicht allzu stark, andere jedoch entwickeln eine enorme Zerstörungskraft, bringen Gebäude zum Einsturz und lassen Tsunamis entstehen, die ganze Landstriche verwüsten. Rettungskräfte stehen bei einer solchen Katastrophe vor einer schwierigen Aufgabe: Wo in all den Trümmern befinden sich Verletzte, die dringend Hilfe benötigen? Anhaltspunkte können Radargeräte liefern. Jedoch lassen sich diese bislang nur stationär betreiben. Das System wird an einer Stelle aufgestellt und kann von dort aus – je nach Radar – etwa zwanzig bis dreißig Meter weit schauen. Diese Distanz ist zu gering, wenn es um großflächige Zerstörungen geht.

Eine Technologie des Fraunhofer FHR in Wachtberg kann den Suchradius deutlich vergrößern. »Wir haben ein mobiles Radargerät entwickelt, das Puls und Atmung verschütteter Personen bestimmen und sie auf diese Weise orten kann«, erläutert Dr. Reinhold Herschel, Teamleiter am Fraunhofer FHR. »Langfristig könnte eine Drohne, ausgerüstet mit dem Radargerät, die Unglücksstelle abfliegen. So lassen sich selbst hektargroße Bereiche effektiv und schnell durchsuchen.«

Mehrere Sender und Empfänger ermöglichen verschiedene Blickwinkel

Das dahinterliegende Prinzip: Das Radargerät sendet eine Welle aus, die an den Trümmerteilen zum Teil reflektiert wird, zum Teil durch sie hindurchgeht – und dann beispielsweise vom Verschütteten zurückgestrahlt wird. Über die Zeiten, die das Signal braucht, um wieder am Detektor des Radargeräts anzukommen, lassen sich die Entfernungen berechnen. Bewegt sich ein Objekt – hebt und senkt sich etwa die Haut des Verschütteten bei jedem Pulsschlag um einige hundert Mikrometer –, so ändert sich die Phase des Signals. Ebenso bei den Atembewegungen. Da man nur zehn- bis zwölfmal pro Minute Luft holt, das Herz aber durchschnittlich 60 Mal pro Minute schlägt, lassen sich diese Signaländerungen über Algorithmen gut voneinander trennen. Auch den Ort, an dem sich ein Verschütteter befindet, können die Forscher genau bestimmen. Möglich machen es MIMO-Radare, kurz für Multiple Input Multiple Output, die über mehrere Sender und Empfänger verfügen – es lassen sich also verschiedene »Blickwinkel« realisieren, über die dann die genaue Position bestimmt werden kann, an der die Rettungssanitäter nach dem Überlebenden graben müssen.

Algorithmus erkennt Herzflimmern

Das Besondere an der Technologie: Die Kombination von Bewegung und präziser Lebenszeichendetektion. Die Bewegung kann sich dabei zum einen auf eine Drohne beziehen, die das Unglücksgebiet überfliegt. Das Prinzip lässt sich aber auch umkehren: Stellt man das Gerät an eine feste Stelle, lassen sich die Lebenszeichen von Menschen detektieren, die sich im Umkreis des Geräts bewegen. Sinnvoll kann das etwa bei zahlreichen Verletzten sein, die beispielsweise nach einem Erdbeben in einer Turnhalle erstversorgt werden. Über das Radargerät lassen sich die Lebenszeichen aufzeichnen und den jeweiligen Verletzten zuordnen. Wer braucht die Hilfe am dringendsten? Der Algorithmus schaut dabei vor allem nach Veränderungen: Flimmert das Herz? Atmet der Patient sehr schnell? Die verschiedenen Signale können auseinander gerechnet und getrennt dargestellt werden. Und das mit hoher Genauigkeit: Die Pulsfrequenz beispielsweise misst das Radargerät auf ein Prozent genau, wie der Vergleich mit tragbaren Pulsgeräten ergab. Während bei der Suche nach Verschütteten per Radar noch Forschungsbedarf besteht, hat das Forscherteam bei der Lebenszeichendetektion von sich bewegenden Personen bereits erfolgreich Testläufe mit einem Abstand von bis zu 15 Metern durchgeführt. Der nächste Schritt zum Produkt wäre jetzt eine Verifikations-studie mit einem Partner im medizinischen Bereich. Nach positiver Evaluierung mit ausreichender Datenbasis kann dann zusammen mit interessierten Industriepartnern der Zertifizierungprozess gestartet werden. Die zuverlässige Detektion Verschütteter in schwierigen Fällen wie Erdreich oder Beton sowie die UAV-basierte Messung werden noch etwa zwei Jahre in Anspruch nehmen, bis eine ausreichend hohe Zuverlässigkeit für die Produktentwicklung erreicht ist. Hier ist das Fraunhofer FHR weiterhin forschend engagiert, um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen.

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