Die aktuelle Forschung unseres Instituts im Bereich der digitalen Zwillinge konzentriert sich auf deren Anwendung für den Schutz kritischer Infrastrukturen sowie für die Medizin und Biomechanik.

Ansprechpartner am IMCS

• Prof. Dr.-Ing. Alexander Popp
• Dr.-Ing. Daniel Wolff

Schutz kritischer Infrastrukturen

Kritische Infrastrukturen können als Organisationen und Einrichtungen definiert werden, die für das staatliche Gemeinwesen von existenzieller Bedeutung sind und deren Ausfall oder Beeinträchtigung zu dauerhaften Versorgungsengpässen, erheblichen Störungen der öffentlichen Sicherheit oder anderen dramatischen Folgen führen würde. Sie sind die unverzichtbaren Lebensadern moderner Gesellschaften und ihr Schutz ist sowohl für unseren Wohlstand als auch für die nationale Sicherheit von größter Bedeutung. Um diese Infrastrukturen zu schützen, erforschen wir verschiedene Methoden aus dem Bereich des wissenschaftlichen maschinellen Lernens, um digitale Zwillinge zu erstellen, die z.B. als Systeme zur Entscheidungsunterstützung fungieren können, um den Betreibern kritischer Infrastrukturen im Krisen- oder Störfall Handlungsempfehlungen zu geben. Konkret arbeiten wir an der Erstellung von modell- und datenbasierten digitalen Zwillingen für bauliche Infrastrukturen (wie z.B. Brücken). Darüber hinaus kooperieren wir mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft, vor allem mit dem DLR-Institut für den Schutz terrestrischer Infrastrukturen.

Schlüsselpublikationen

• Sahin, T., von Danwitz, M., Popp, A. (2024): Solving forward and inverse problems of contact mechanics using physics-informed neural networks, Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences, 11:11, DOI (Open Access) . arXiv 
• Jaelani, Y., Klemm, A., Wimmer, J., Seitz, F., Köhncke, M., Marsili, F., Mendler, A., von Danwitz, M., Henke, S., Gündel, M., Braml, T., Spannaus, M., Popp, A., Keßler, S. (2023): Developing a benchmark study for bridge monitoring, Steel Construction, 16:215–225, DOI (Open Access)

Aktuelle Projekte

• Kombination von Daten- und Physik-basierten Methoden in hybriden digitalen Zwillingen

Medizin und Biomechanik

Ein weiterer wichtiger Bereich für die Erstellung und Anwendung digitaler Zwillinge sind die Lebenswissenschaften, z. B. die Medizin, aber auch die Biomechanik. Hier können sie eingesetzt werden, um die personalisierte Versorgung und damit die Behandlungsergebnisse zu verbessern, die Kosten zu senken und präzisere und effektivere Verfahren im Gesundheitsmanagement zu ermöglichen. Konkret erforschen wir Berechnungsmethoden, die eine zuverlässige patientenspezifische Modellierung und Simulation modernster medizinischer Geräte und Implantate, des sie umgebenden Gewebes, chirurgischer Prozesse und ganzer Organe ermöglichen (siehe auch unsere Seite mit Anwendungsschwerpunkten). Ziel ist es, diese Modelle zu nutzen, um die Behandlungsergebnisse in der klinischen Praxis, wie beispielsweise beim Einsetzen von Stents in Arterien, durch virtuelle Tests vor dem realen operativen Eingriff zu verbessern.

Schlüsselpublikationen

• Frank, M., Holzberger, F., Horvat, M., Kirschke, J., Mayr, M., Muhr, M., Nebulishvili, N., Popp, A., Schwarting, J., Wohlmuth, B. (2024): Numerical simulation of endovascular treatment options for cerebral aneurysms, GAMM-Mitteilungen, 47:e202370007, DOI (Open Access) 
• Brandstaeter, S., Gizzi, A., Fuchs, S.L., Gebauer, A.M., Aydin, R.C., Cyron, C.J., (2018): Computational model of gastric motility with active‐strain electromechanics. ZAMM - Journal of Applied Mathematics and Mechanics / Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik, 98, 2177–2197, DOI (Open Access) 

Aktuelle Projekte

• Mehrskalen-Algorithmen und Simulation für die patientenspezifische Optimierung von endovaskulären Eingriffen bei zerebralen Aneurysmen